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2025.10.30-11.1  中國?·?佛山潭洲國際會展中心

Nature sustainability：從天然竹子中提取的可持續(xù)高強度大纖維

2022-04-07 09:00:40
高性能纖維作為一種優(yōu)質(zhì)的工程材料，具有高拉伸強度、高楊氏模量和大長徑比等物理性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于能源、建筑、交通運輸?shù)戎T多領(lǐng)域。但是，基于石化資源制備的碳纖維、玻璃纖維和聚酯纖維等合成纖維，在制備過程中不僅需要繁雜苛刻的工藝條件，而且還會消耗較多的能源，產(chǎn)生較多的溫室氣體排放量。因此，在“碳達峰”和“碳中和”的發(fā)展戰(zhàn)略下，如何更好地利用具有低碳足跡、可自然降解的高性能天然纖維，是研究人員需要思考和解決的一個重要問題。
從植物厚壁組織中分離得到的天然纖維具有多尺度結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)在通過不同方法獲取的纖維，其微納結(jié)構(gòu)和機械性能存在著顯著差異。如采用化學(xué)脫膠方法從韌皮部位分離得到的苧麻纖維，長度為~150mm、直徑 20-70μm、拉伸強度為 0.8-1.5GPa。而采用自上而下化學(xué)方法從木材中分離得到的納米纖維，長度小于 100μm、直徑 5-20nm、拉伸強度高達 7.5GPa，可以進一步加工成為直徑 10μm、拉伸強度為 1.57GPa的納米纖維束。不過，上述自上而下方法還需要配備特定的成型裝置，能耗高、用時長，難以實現(xiàn)工業(yè)上的規(guī)?；迫?。
最近，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授采用一種自上而下的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)從竹莖中規(guī)模化提取高性能的長竹纖維束。相關(guān)研究成果以論文形式在 Nature sustainability 上發(fā)表，題目為《從天然竹子中提取的可持續(xù)高強度大纖維》（Sustainable high-strength macrofibres extractedfrom natural bamboo）[1]。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature sustainability）
竹子是一種典型的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，木素、半纖維素和果膠組分把中空的薄壁細胞和近似實心的竹纖維束粘結(jié)在一起。在這項研究中，研究人員首先采用過氧甲酸作為溫和的化學(xué)脫木素試劑，將竹材細胞角隅區(qū)域和復(fù)合胞間層中的木素與膠質(zhì)組分選擇性脫除。
經(jīng)過十小時脫木素處理后，再借助水力剪切作用將竹纖維束與相鄰薄壁組織細胞進行分離。由于纖維素對過氧甲酸具有低反應(yīng)活性能夠有效避免在脫木素過程中發(fā)生嚴重解聚，所以竹纖維中的纖維素組分在保持較高聚合度的同時結(jié)晶度也在不斷上升。
在后續(xù)的自然風(fēng)干處理過程中，因為纖維細胞壁中木素組分的去除和毛細管力作用，使得細胞壁中的纖維素分子鏈之間形成更多的氫鍵和范德華力結(jié)合，纖維束內(nèi)部產(chǎn)生自致密化現(xiàn)象，增強了結(jié)合強度并減少了內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，進而獲得了高纖維素含量、高結(jié)晶度和結(jié)構(gòu)致密的竹纖維束。
圖 | 自上而下方法從竹莖中規(guī)模化提取高性能的長竹纖維束（來源：Nature sustainability）
圖 | 竹莖在處理過程中的形貌和微觀結(jié)構(gòu)演變（來源：Nature sustainability）
可以看出，通過“化學(xué)脫木素-自然風(fēng)干”兩步法分離的竹纖維束在偏光顯微鏡下產(chǎn)生了非常明亮的雙折射現(xiàn)象，這說明無定形的木質(zhì)素和半纖維素組分已被脫除，高結(jié)晶度的纖維素組分在細胞壁中呈高度取向分布。
圖 | 用“化學(xué)脫木素-自然風(fēng)干”兩步法和傳統(tǒng)機械方法分離的纖維束超微結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成比較（來源：Nature sustainability）
一般情況下，用傳統(tǒng)機械提取出的纖維束的拉伸強度為 560±200 MPa，楊氏模量為 49.3±5.6 Gpa，性能較差。而采用“化學(xué)脫木素-自然風(fēng)干”兩步法分離得到的竹纖維束具有優(yōu)異的力學(xué)性能，力學(xué)測試結(jié)果表明其平均拉伸強度為 1.90±0.32 GPa，楊氏模量為 91.3 ± 29.7GPa，超過了大多數(shù)天然纖維、聚合物基合成纖維、人造礦物纖維等，甚至可與部分碳纖維比肩。此外，長竹纖維束還具有 25.4 ± 4.5 MJ m-3的斷裂能和高達 1.26±0.21 GPa cm-3 g-1 的比強度，遠超大多數(shù)鋼絲、合成聚合物等工程材料。
圖 | 對竹纖維束的力學(xué)性能進行測試（來源：Nature sustainability）
為了模擬在實際應(yīng)用過程中的效果，該研究團隊用獲取的長竹纖維加工成正交編織的纖維氈，采用真空輔助成型工藝與環(huán)氧樹脂進行浸漬制備成復(fù)合材料。選取水平和垂直方向的樣條進行機械性能測試，發(fā)現(xiàn)其拉伸強度為~350 MPa，具有良好的尺寸及性能穩(wěn)定性，并且和碳纖維織物增強環(huán)氧樹脂復(fù)合材料相近。所以，高性能的長竹纖維束完全可以作為復(fù)合材料中的增強相進行使用。生命周期評估結(jié)果表明，相對于復(fù)合材料中常用的植物纖維、聚合物纖維和碳纖維來說，竹纖維束的碳足跡更低，將其作為替代品可減少 25%-92% 的碳排放量。
圖 | 纖維束的生命周期分析及其在高性能聚合物復(fù)合材料中的增強應(yīng)用（來源：Nature sustainability）
該研究有望大力推進對天然纖維材料的研發(fā)與利用，并且高性能的竹纖維束可加工成結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在包括航天、綠色風(fēng)力發(fā)電和汽車等領(lǐng)域得到廣闊應(yīng)用。
本文來源：DeepTech深科技
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上海國際植物纖維模塑產(chǎn)業(yè)展

2022.9.21-23

上海新國際博覽中心

上海國際植物纖維模塑產(chǎn)業(yè)展（IPFM Shanghai）是包裝部落和美獅傳媒集團強強聯(lián)合，共同打造的植物纖維模塑產(chǎn)業(yè)專屬的商貿(mào)交流盛會。聚焦植物纖維模塑智能精益制造、原輔材料革新和制品創(chuàng)新設(shè)計和應(yīng)用，彰顯植物纖維模塑綠色力量的無限潛力。在全球禁塑和中國雙碳政策下，賦能產(chǎn)業(yè)高效拓展全球無限應(yīng)用商機。
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