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前言
在“双碳”战略持续推进和"以竹代塑"倡议广泛实施的背景下，竹材作为一种快速再生、可持续利用的天然资源，正成为材料科学研究的热点。中国林业科学研究院木材工业研究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。
01.创新制备工艺：多尺度竹纤维自组装实现无胶粘合
突破传统竹材加工依赖合成树脂的局限，研究团队建立新型多尺度界面工程策略：首先将竹材解构成纤维束，再通过季铵化改性和TEMPO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。
02.材料性能突破： 1% CCNF – M展现优异特性
实验数据显示，添加1% CCNF制备的竹纤维素基材料（1% CCNF-M）结构致密，纤维排列整齐，结晶区比例高，具有显著性能优势。拉伸强度达333.4 MPa，弯曲强度353.3 MPa，弯曲模量26.8 GPa；经疏水处理后可在100%湿度或水浸泡的条件下使用，力学性能仅轻微下降，具有良好环境稳定性；受载时呈现纤维拔出、裂纹分支等能量耗散方式，具有良好增韧效果。
03.性能优势分析：全面超越石油基塑料
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，比强度更是增强了 4 倍，真正做到了在轻量化的同时维持高强度。此外，得益于纤维素优异的热性能，多尺度材料的热膨胀系数极低（<1.19× 10⁻⁶ K⁻¹），热稳定性极佳。同时，材料中纤维良好的柔韧性以及有序的排列取向，使其拥有出色的加工性，能够轻松塑形。在环保方面，1% CCNF - M 同样表现卓越，掩埋 360 天后，材料大量降解，对环境的友好程度远超塑料。
04.环保效益与应用前景
生命周期评价结果表明，在所有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，是减少碳排放和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。
结语
本研究利用多尺度界面工程对竹子进行解构和重组，借助致密的氢键网络、表面电荷处理和离子交联等物理化学手段，实现了竹材的华丽变身。所制备的多尺度竹纤维素材料，其综合性能显著优于目前的商业塑料（包括部分工程塑料），在力学性能等指标上，更超越了传统的生物质基结构材料。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。
