木工所在竹子变形助力塑料替代方面取得新突破

　　木工所于文吉研究员团队通过创新性地多尺度界面工程技术来实现竹材的解构和再重组，将竹材变身为高强度、可变形和生物降解的竹纤维素基结构材料，其综合性能超越传统石油基塑料。
　　研究团队首先将竹材解构成纤维束，再通过改性和氧化处理，分别获得带正电荷的长纤维（Q-Fiber）和带负电荷的羧基化纤维素纳米纤维（CCNF）。利用静电吸引原理实现纤维自组装，并通过引入钙离子（Ca2?）构建离子交联网络，结合热压成型技术，形成具有氢键网络和离子交联的双重稳定结构。该工艺实现了材料尺寸的精确调控，构建出无需外加粘合剂的三维网络结构，将竹材变身为可变形、抗冲击性强、硬度高、热稳定性佳、生物可降解以及优异力学性能的可持续纤维素基结构材料。
　　实验数据显示，添加1% CCNF制备的竹纤维素基材料（1% CCNF-M）性能优势显著。与石油基塑料各项性能的均值相比，1% CCNF-M的冲击强度提升了2.8倍，硬度提高了1.2倍，比强度增强了4倍。此外，多尺度材料的热膨胀系数极低，热稳定性极佳，加工性能优越，能够轻松塑形。掩埋360天后，材料大量降解，对环境的友好程度远超塑料。
　　生命周期评价结果表明，在所调查的环境影响类别中，多尺度的竹基纤维素材料均优于传统的石油基塑料，是降低碳足迹的有力候选者。此外，通过改变纤维的铺装方式，能够将材料的性能从各向异性转变为各向同性，这为纤维素基材料代替塑料的应用提供了更大的灵活性和可能性。
　　该研究突破性地解决了竹材应用中力学性能离散性大、界面结合弱、尺寸稳定性等技术瓶颈，为竹资源替代不可降解塑料提供了完整的理论支撑和技术方案。随着工艺优化和产业化推进，这类可定制化、全降解的纤维素基材料有望在精密仪器制造、环保包装、绿色建筑等领域形成规模化应用，为实现“双碳”目标开辟新的技术路径。
　　该研究以“Transformation of bamboo: From multiscale fibers to robust and degradable cellulose-based materials for plastic substitution”为题发表于国际知名期刊《Small》。北京林业大学与木工所联培的硕士研究生胡娟为第一作者，木工所黄宇翔副研究员为通讯作者。(黄宇翔)
　　　　中国林科院 　2025-04-27

关键词 竹材  纤维素基结构材料  生物降解  竹材应用  图片