中国政府与国际竹藤组织共同发起的“以竹代塑”倡议，旨在应对日益严峻的塑料污染问题。然而，竹材中纤维素、木质素和半纤维素构成的细胞壁刚性结构使其热塑性较差，难以像塑料一样热塑成型，限制了其替代塑料的应用潜力。通过采用竹材热塑性增强技术可以有效改善其热塑性能，提升竹材的可塑性，进一步拓展其在替代塑料领域的应用空间。系统综述了化学取代改性、氧化还原改性以及溶解作用3类提升竹材热塑性的技术，深入分析了各类技术的作用机制、优势及其存在的问题，并对竹材热塑性增强技术未来亟待开展的研究方向进行展望，以期为推动“以竹代塑”的环保理念提供技术支持和实践路径。
1 竹材等生物质原料的热塑性研究概况
竹材与大部分植物纤维一样，主要由纤维素、半纤维素以及木质素组成，三者之和占竹材总质量的80% ~ 95%。植物纤维中三大素紧密结合，导致其分子链的热运动困难，宏观表现为植物纤维整体的软化温度较高。但植物纤维组分的降解温度接近其软化温度，如纤维素在150 ~ 240 ℃ 内会发生部分葡萄糖基脱水反应，从240 ℃ 开始发生糖苷键的断裂反应，生成小分子物质；而半纤维素在220 ℃ 就已开始大量降解。这使得植物纤维还未发生热软化就已发生组分降解，导致其不具备热塑性。
植物纤维直接转化为热塑性塑料的研究兴起于 20 世纪 70 年代。Funakoshi 等利用酸酐物质/N2O4/DMF/吡啶体系对木材进行酯化改性，发现随着酯化程度的提高木材组分的软化点明显降低。该研究首次实现了将木材转化为热塑性材料，发现未处理木材的软化点为220 ~ 250 ℃，酯化后的木材软化点在100 ℃ 及以下。随后，研究者们开展了大量苄基化、氰乙基化、酯化以及烯丙基化等取代反应体系塑化植物纤维的研究，这些反应普遍可以使植物纤维整体的软化温度降低。
2 热塑性增强技术研究进展
2.1 化学取代改性
2.1.1 酯化反应改性
酯化反应改性是最早被应用于增强植物纤维热塑性的技术，同时也是研究最为广泛的技术之一。如 Matsuda采用琥珀酸酐、马来酸酐和邻苯二甲酸酐作为改性剂，在二甲基甲酰胺溶剂与 Na2CO3 催化条件下对木粉进行酯化处理，研究发现：酯化木材在160 ℃、115 MPa 热压条件下具备热流动性，并成功制得了红褐色半透明塑料薄片，证实了植物纤维通过热塑性增强技术实现类似高分子聚合物热塑成型的可行性。随后，Hassan 等在无溶剂体系中利用琥珀酸酐处理甘蔗渣，使酯化率达 35. 3% 的材料经 190 ℃ 热压后形成致密截面，验证了非溶剂体系的技术可行性。Wu 等采用辛酰基氯在氮气保护下酰化日本雪松锯末，发现酰化作用显著降低纤维素结晶度，同时提升材料热塑性和热稳定性，揭示了惰性气氛对酯化反应增强植物纤维热塑性的积极影响。
进入 21 世纪后，新型溶剂体系加速了该领域创新。Chen 等开发基于 1-乙基-3-甲基咪唑醋酸酯的双溶剂体系，通过与乙烯基的酯交换反应制备可溶性甘蔗渣酯，实现溶液铸造法制备生物塑料薄膜，拓展了木质纤维材料的成型工艺路径。Suzuki 等在离子液体中进行混合酰基(乙酰基与癸酰基) 酯化，成功将甘蔗渣转化为可注塑成型的热塑性材料，高分子质量(1. 5 × 106 g/mol) 并未影响其加工性能，所得材料拉伸强度达 50 MPa，弯曲强度为 80 MPa，显示出半纤维素和长链酰基的协同增塑作用。Hou 等开发了一种高效机械化学球磨法，制备取代度在 1. 30 ~ 2. 37 之间的纤维素硬脂酸酯(SCEs)，在无需增塑剂的情况下实现热压成型，取代度高于 1. 62 的产品表现出良好热塑性，薄膜拉伸强度达12.4 MPa。Li 等采用低浓度苄索氯铵/硫酸体系，结合机械化学法在双螺旋反应器中实现木浆乙酰化，所得材料兼具5. 4 GPa 弯曲模量与热塑性熔融特性，开发了低溶剂消耗的高性能纤维素塑料制备工艺。
近期，Zhang 等利用马来酸酐酯化制备纳米纤丝基生物塑料(MLCNF)，其兼具高长径比和高表面电荷的特性，表现出卓越的湿态力学性能(湿拉伸强度 43. 5 MPa，断裂伸长率 41%) 和水稳定性(水接触角 91°)。Sun 等通过长链脂肪酸酯化构建了纤维素-木质素复合生物塑料，其独特的三重互锁结构(物理缠结、共价酯键和氢键) 使材料拉伸强度提高至约 200 MPa，韧性达 110 MJ/m3，并具备生物降解与热成型能力。此外，Henrik-Klemens 等研究表明：无论木质素来源如何，酯化引入的柔性链均可有效降低其玻璃化转变温度，改善加工中的流动性问题。Abe 等则通过三氟乙酸和羧酸酐组合处理木块，可有效降低材料软化温度，成功模压制得高强度杯具制品。
另外，酯化反应也可有效提升竹材的热塑性。Li 等采用三氯乙酸活化法对竹粉进行乙酰化改性，在液料比6∶1 及65 ℃ 超声波辅助条件下实现纤维素羟基取代，其酯化竹粉经红外光谱检测到3.745 cm - 1 处存在特征酯基峰，DSC 分析显示软化温度降至 130 ℃，并成功在 10 MPa 下热压成型。近年来，史正军团队开发了水热预处理-天然松香酸非均相酯化竹材，发现其 C1/C3 比值提升 135% 且结晶度降低4. 62%，证实了纤维素超分子结构的解离及松香酸酯键的原位构建，酯化竹材软化温度降低至200 ℃，其对应的热压产物表面光滑致密且具备可控热塑性。
因此，通过酯化策略调控竹纤维素的超分子结构，能一定程度降低竹材软化温度，并提升其热塑性加工性能(表1)。同时，该改性方法能够降低竹材表面的极性，从而改善竹材与有机材料之间的界面相容性。然而，酯化改性仍存在一定的局限性：一方面，酯化改性过程中酸性环境会导致纤维素发生明显降解，从而使改性后的纤维材料力学性能下降，难以满足后续加工的需求；另一方面，酸性环境无法有效破坏纤维素分子的结晶结构，导致改性后的纤维材料内部仍保留较多的结晶区域，进而影响其熔融状态下的流变性能及塑化成型能力。
表1 部分化学取代改性对植物纤维热塑性的影响及其作用机理
2.1.2 醚化反应改性
植物纤维的醚化反应改性主要通过氰乙基化、苄基化和烯丙基化 3 种途径实现。氰乙基化使用丙烯腈等醚化剂，通过亲核取代反应使氰乙基基团替代纤维素羟基，打破分子内氢键结合与结晶结构，不仅赋予纤维热塑性，还能降低其亲水性并改善耐候性与尺寸稳定性。苄基化以氯化苄为醚化剂，搭配高浓度 NaOH 水溶液对木粉润胀后，在 125 ℃ 反应 4 h 可获得苄基化木材。质量增加率115% 的改性木材在100 ~ 150 ℃ 范围内可熔融，并热压成型为半透明塑料状薄片；苄基化处理后洋麻纤维的玻璃化转变温度从 140 ℃ 降低到 118 ℃，表现出良好的熔融加工性且易于热压成片材。类似地，剑麻纤维经苄基化后，表层塑化而芯层未改性，通过热压形成了以芯层纤维为增强相的自增强复合材料。烯丙基化采用烯丙基氯为醚化剂，在 NaOH-异丙醇体系中，木粉于 80 ℃ 反应 2 h 后表现出显著热流动性，170 ℃ 热压 10 min 即可成型为棕色塑料状薄片；若对木块进行烯丙基化改性，其表面可实现热熔效果，并在160 ℃ 下热压成型。以上 3 类反应通过不同的取代基团选择，可以有效调控纤维素超分子结构，从而实现植物纤维从刚性到热塑性的可控转变(表1)。
近年来，竹材作为典型植物纤维材料的来源，其醚化改性增强热塑性研究也取得了一定进展。在氰乙基化竹材改性方面，李雪芳采用微波辐射工艺替代传统水浴法，通过工艺优化显著缩短了反应时间：1. 5 g 竹材以 1 mol/L NaOH 饱和 KSCN 溶液超声波辅助预润胀 10 min，随后用 8 mL 丙烯腈微波辐射 30 ~ 40 min，即可达到传统 40 ℃ 水浴 3 h 后约 40% 的质量增加率，成功制得热塑性氰乙基化竹材。而苄基化是竹材醚化改性的重要方向。竹材形态与反应机理的系统研究显示，低温碱液润胀(如 22. 5% NaOH 润胀 10 h)可破坏竹材天然结晶结构，显著提升纤维素链游离羟基的可及性，为氯化苄高效接枝奠定基础。此类改性竹材的软化温度随质量增加率上升而下降，改性后的竹材在 140 ℃、2. 0 MPa 条件下热压熔接成板后，其表面自由能与聚乙烯接近，且湿热稳定性、耐磨性及力学强度优异(静曲强度 > 140 MPa，弹性模量 > 11 000 MPa)。进一步研究发现，植物纤维原料组分中木质素的反应活性高于纤维素和半纤维素，因此竹粉(木质素12. 56%)苄基化质量增加率可达123. 48%，而适当的木质素含量可优化反应效率。工艺方面，竹浆纤维苄基化的优化条件为 105 ℃ 下反应 8 h(取代度 > 2. 0)，产物可在150 ℃ 热压成型为半透明薄片，FT-IR 与 DSC/TG 证实，改性后竹纤维的羟基被苄基取代，结晶区被破坏且热塑性显著增强，软化温度、熔融温度与取代度呈负相关。
氰乙基化和苄基化等醚化反应虽能提升植物纤维的热塑性，但其实际应用仍受限于以下关键问题。首先是工艺缺陷，反应体系中纤维素、半纤维素与木质素的异质成分导致取代反应不均匀，可能影响材料性能一致性；其次，传统工艺依赖高毒试剂(如烯丙基氯、氯化苄、丙烯腈等醚化剂，甲苯、吡啶、氰化钾等溶剂/催化剂)，且质量增加率普遍偏高(部分超过100%)，造成试剂过量消耗及环境污染；最后，液相反应中废弃试剂回收困难，而气相反应的设备与工艺条件研究尚不完善，进一步制约了醚化植物纤维规模化生产的环保性与经济性。
2.2 氧化还原改性
2.2.1 植物纤维原料
氧化还原法是植物纤维塑化改性的另一有效手段。Larsson 等通过高碘酸盐-硼氢化钠氧化还原体系将纳米纤维素转化为具有良好热塑性的二醇纤维素，其制备的高密度膜材料展现出 175 MPa 的拉伸强度、15% 的断裂伸长率以及80% 相对湿度下5. 5 mL·μm/(m2·d·kPa)的透氧率指标，表明二醇纤维素在可持续包装领域具有多性能协同优势。随后，该团队将漂白软木纸浆经相同体系处理，证实木质纤维可通过此方法实现热塑性转变并保留全生物基特性。Plappert 等发现仅采用高碘酸钠对微晶纤维素进行选择性氧化，纤维素也能形成具有高强度、高透过率的薄膜。Fer ndez-Santos 等将该体系用于纤维素纳米纤丝时也发现了相似的效果。这主要是因为高碘酸钠选择性氧化纤维素破坏了纤维素晶体结构，增加了纤维素塑性，使得其在热压成膜过程中形成了密实的结构。然而上述研究均以纤维素或者纸浆纤维素为研究对象，为强化植物纤维利用效率，华南理工大学冯彦洪课题组系统探究了剑麻纤维的预处理方式对氧化还原反应过程及改性产物性能的调控机制。通过调控高碘酸钠与纤维的物质的量比，发现闪爆预处理可显著提升比表面积和反应活性，使闪爆剑麻纤维(SESF)氧化产物的醛基含量较未处理纤维(SF)提高17%，还原产物(RSESF)得率在 n 为1. 5 时达68. 4%，较普通剑麻纤维(RSF)提高 16%。RSESF 热压片材可形成均匀结合网络，拉伸强度提升至 42. 2 MPa，较 RSF 片材提高175% 以上。热塑性方面，RSF 和RSESF 改性材料的软化温度分别为142. 1 和132. 5 ℃，且伴随反应程度增加，RSESF 的软化温度可进一步降低，而 RSF 体系软化温度保持稳定，这归因于闪爆预处理导致木质素部分降解，削弱了对纤维素无定形区链段运动的约束。研究还发现：木质素的存在可以抑制水溶性物质的损失(不去木质素体系得率68. 4%，而去木质素体系得率为26. 4%)，而半纤维素协同木质素通过界面增强作用维持片材力学性能，验证了全组分改性的整体优势。
2.2.2 竹材
在竹材研究方面，作者所在团队首次提出将氧化增强竹材热塑性的策略应用于竹材热塑性增强领域。通过选择性脱除竹材单元中的部分木质素并破坏纤维素的结晶结构，同时将羟基定向转化为具有高反应活性的醛基以提高竹材的热塑性与反应活性，经热压处理后成功制备出一种兼具热固性与可塑性的新型竹基塑料(ABTP)，制备示意图见图 1。该材料拉伸强度达 50 MPa、弯曲强度 80 MPa、弯曲模量 5 GPa，邵氏硬度(HD)接近 90，力学性能接近传统工程塑料，并具有优异的耐溶剂性与耐水性。此外，结合水分含量调控，可进一步提高竹材单元的热塑性，热压 5 min 即可制备透过率大于 85% 的全竹基透明板。值得注意的是，不同于传统热固性塑料，ABTP 不仅可重复加工，更能在自然环境中实现可控生物降解(土壤掩埋 90 d 失重率 > 90%)，为竹材高值化利用及绿色塑料替代提供了创新路径。
图1 新型竹基塑料制备示意
2.2.3 优势与挑战
与化学取代改性相比，氧化还原法在实现纤维塑化转变的同时，能够保持材料 100% 的植物基属性。此外，氧化还原试剂具有可回收性，这一特性显著降低了环境负荷，为生物质热塑性材料的开发提供了更加绿色、可持续的技术路径。然而，该方法仍面临以下挑战：首先，高碘酸钠作为关键氧化剂，成本高昂且反应耗时较长。尽管再生循环技术(如电解辅助氧化系统与高浓浆球磨氧化体系优化)能够在一定程度上降低化学品的用量，但仍面临环境负担较重或工艺参数优化不足的挑战。例如，Liimatainen 等提出的次氯酸盐再生法需使用大量有毒试剂、Koprivica 等开发的臭氧氧化体系需对臭氧供给量及 pH 值进行精确调控。其次，硼氢化钠等还原试剂价格昂贵，其氧化产物(偏硼酸根)的再生效率低且重现性差(例如电解法再生产率较低，即使 Zhong 等开发的球磨辅助硅化镁再生法能够达到74% 的产率，但其工业化推广仍然受限。从原材料角度来看，当前技术主要依赖纳米纤维素和漂白浆等需要深度化学处理的原料，导致半纤维素和木质素被浪费，而针对全组分植物纤维的温和改性策略研究相对匮乏，难以实现资源的高效利用。此外，氧化还原热塑化的基础机理(例如木质素残留对性能的影响)尚未完全明确，成型加工技术(包括循环稳定性和工艺适配性)也尚未成熟，这些因素均制约了该技术的规模化应用。
2.3 溶解作用
2.3.1 概述
虽然通过化学改性提升植物纤维热塑性的方法较为常见，但这些方法通常需依赖反应活性极高的化学试剂(如强氧化剂、强还原剂或强酸/强碱)，以有效破坏植物纤维中纤维素的固有结晶结构。然而这些试剂具有极强的反应活性，往往伴随明显的生物毒性，因此在应用安全性方面仍存在明显局限。相反，植物纤维的非衍生化增塑被认为是一种更可持续性发展的策略。它通过强溶剂破坏和重构纤维素分子内和分子间氢键结构，在不改性纤维素分子链上活性羟基基团的情况下，实现对纤维素分子链物理加工的目的。常用的溶解体系可分为有机溶剂溶解体系和水溶剂溶解体系两大类。其中，有机溶剂溶解体系主要包括胺氧化物体系、N,N-二甲基乙酰胺/氯化锂(DMAc/LiCl)体系以及离子液体(ILs)等；水溶剂溶解体系则包括无机盐水合物体系、过渡金属/胺络合物体系以及碱金属氢氧化物体系等。
2.3.2 有机溶剂体系
2.3.2.1 DMAc/LiCl
DMAc/LiCl 溶解体系是通过 LiCl 中 Li + 与 DMAc 上的 C=O 紧密结合，形成大阳离子[Li(DMAc)] + 和游离状的 Cl -，纤维素分子链上的—OH 可以和 LiCl 中的 Cl - 形成强氢键，Cl - 再与[Li(DMAc)] + 成键，从而达到破坏结晶区氢键结构的目的。Gao 等利用该体系全溶解-再生工艺，通过调控混凝浴 DMAc/LiCl 质量分数(≤15%)及温度(20 ℃)，精确赋予再生纤维素膜致密多孔的梯度结构，并建立数学模型为绿色包装膜设计提供量化依据。为制备具有强韧性的纤维素塑料膜， Zhao 等将流线型气相分离工艺与 DMAc/LiCl 溶解相结合，再经过拉伸-热压工艺，最终获得的纤维素膜展现出卓越的机械性能(拉伸强度 500 MPa，断裂伸长率 13. 7%)、水稳定性和生物降解性。除实现纤维素的完全溶解外，DMAc/LiCl 体系还可以通过调控处理条件以增强实体木材的塑性。Dong 等对脱木质素木材实施原位处理以提高木材的热塑性，使处理后的木材在热压下形成“木质砖块-纳米纤维砂浆”的仿生层状结构，所得全纤维素木基材料兼具轻质(1. 34 g/cm3) 与超高强度韧性(抗弯强度3 MPa)，性能超越金属陶瓷。该体系可以进一步拓展至低值木质废弃物，通过溶解-再生重建氢键网络并“愈合”微观缺陷，所得再生木材的拉伸强度达天然木材16 倍，且具有多重可循环性。
2.3.2.2 ILs
室温离子液体也是一类常被用于纤维素溶解的新型绿色溶剂。相关研究表明，ILs 溶解纤维素的核心机制在于破坏其顽固的超分子结构。分子动力学模拟揭示，具有纤维素高溶解能力的 ILs如 1-烯丙基-3-甲基咪唑氯盐([AMIM]Cl)和 1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐([EMIM]Cl)通过其阴阳离子协同作用，逐步渗透并断裂纤维素分子链间的氢键网络，导致分子链剥离和分散，进而显著降低纤维素的结晶度。相关研究也验证了这一作用，首先，Wei 等在溶解温度调控研究中发现：特定分子内氢键 O(3)H··O(5)相比 O(2)H··O(6)会成为不同温度下溶解过程的主导断裂位点，这证实 ILs 破坏了纤维素原有的氢键网络；其次，原子力显微观测发现 ILs 对水稻秸秆或甘蔗渣的预处理可以诱导纤维素微纤丝发生溶胀现象，并通过高效破坏纤维素的结晶结构来显著提升纤维素的可及度。
纤维素结晶度与有序性的降低是赋予纤维素及其衍生物优异可加工性和塑性的关键结构基础。Bendaoud 等以 1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([BMIM]Cl)离子液体处理醋酸纤维素，发现离子液体的热塑性增强效果明显优于邻苯二甲酸二乙酯。研究还发现，离子液体处理有效破坏了醋酸纤维素的结晶区，并通过构建离子液体-醋酸纤维素间复杂的离子-静电作用、氢键和范德华力相互作用网络，显著弱化链间作用力，从而赋予材料优异的熔融加工性(150 ℃)和软化特性。通过进一步优化离子液体处理体系有望推动该技术可持续应用。例如，Li 等成功地将离子液体设计为可循环利用的增塑剂和溶剂，并用于纯纤维素薄膜的高效清洁生产。其开发的高效闭环工艺实现了 ILs 的多次循环使用和 95% 的回收率，显著降低了溶剂消耗和废弃，同时再生的纤维素薄膜核心力学性能和光学性能得以高效保留 (> 98%)，验证了“零溶剂废弃”绿色制造的可行性。
值得注意的是，得益于离子液体在增强纤维素热塑性方面的表现，其在纤维素基复合功能材料的设计与开发中也展现出明显的优势。如 He 等巧妙地将含有季铵盐阳离子抗菌基团及 FeCl4- 交联阴离子功能化离子液体单体，通过共价接枝的方式引入到纤维素纳米晶表面，并进一步与聚乙烯醇复合，制备出具有优异性能的单层食品包装膜。尽管离子液体在溶解纤维素方面展现出较高的溶解效率，但较高的生产成本在一定程度上限制了其在工业领域的规模化应用。
2.3.3 水溶剂体系
2.3.3.1 碱金属氢氧化物体系
为克服胺氧化物、DMAc/LiCl 以及离子液体等有机溶剂体系存在的成本过高问题，张俐娜团队提出了碱/尿素水溶液溶解纤维素体系。NaOH 在水溶液中是以[OH(H2O)n] - 和 [Na(H2O)m] + 两种离子水合物形式存在，室温时自由水和结合水之间的快速交换使[OH(H2O)n] - 和 [Na(H2O)m] +难以形成和保持新络合物结构。一方面，在低温条件下，自由水与结合水的交换变慢，这有助于保持离子水合物的结构，使 [Na(H2O)m] + 更容易与纤维素上的—OH 结合形成新的氢键网络。这一过程破坏了纤维素自身分子内和分子间的氢键，还在低温下构建了较为稳定的新氢键网络结构。另一方面，尿素分子不能直接与纤维素分子作用，而是通过动态自组装快速地包覆在 NaOH 和纤维素的氢键网络外部，形成管道包合物，阻止纤维素分子自聚合。正是这种稳定快速自组装的形式使得纤维素可以快速溶解，形成透明的纤维素溶液。Wang 等采取该方法将棉绒纸浆溶解形成均相溶液，并在非溶剂中再生形成纤维素水凝胶。在60 MPa 的压力条件下对水凝胶进行热压脱水处理，从而制备出具有高拉伸强度和优异热稳定性的纤维素基生物塑料，该材料具备可再生性与可生物降解性，通过生命周期评价(LCA)计算表明：该生物塑料对环境的影响至少比 PE 低 70%。Ye 等在碱/尿素溶解的基础上，采用预取向和化学交联的策略制备了各向异性纤维素膜，实现了高强高韧的协同提升。然而，该体系通常要求低温处理(低于 - 10 ℃)，严重阻碍了其商业化应用。为克服低温溶解的限制，Liu 等提出通过羧甲基化改性结合碱水处理的方法，实现了纤维素在0 ℃ 以上的溶解，且产生的废液易于通过蒸馏回收再利用。
上述溶解体系主要针对纤维素单一组分。然而，对于竹材等植物纤维原料而言，其内部存在的木质素和半纤维素等组分会形成复杂三维结构，导致这些溶解体系难以实现一步溶解。因此，为实现竹材等植物纤维热塑性能的提升，通常需预先脱除木质素组分，再进行溶解处理。
2.3.3.2 无机盐水合物体系
近年来，绿色低共熔溶剂(DES) 因能同时解聚木质素和纤维素，并具有成本低、环境友好和可生物降解等优点而受到广泛关注。DES 是由氢键供体和氢键受体按照一定物质的量比混合形成，具有强的氢键接受能力，能够与纤维素羟基形成强的氢键作用，从而有效解构纤维素的氢键网络。童志函以氯化锌水合物为氢键受体、甲酸为氢键供体，开发了一种金属盐水合物基低共熔溶剂，实现了在室温下高效溶解纤维素，并以此为原料制备了纤维素基丝材料，拉伸强度可达3 GPa。DES 还具有极强的可调性，通过合理选择组分可以实现木质素的高效溶解。Xie 等利用精氨酸/乳酸 DES 结合微波辅助处理毛竹，实现了84. 8% 的木质素脱除率，同时降低了纤维素结晶度指数、减小了结晶区宽度，并显著提升了纤维素的糖转化率。Xu 等则采用氯化胆碱/乳酸 DES“一锅法” 处理竹材，分离得到纤维素残渣、再生木质素及可回收的 DES，并进一步将其分别转化为高附加值生物基纳米材料——纳米纤维素、木质素纳米颗粒及碳量子点。因此，DES 通过同步破除木质素-纤维素复合结构，有望实现一步增强植物纤维整体热塑性。Lin 等利用氯化胆碱/乳酸 DES 处理云杉木材，部分破坏了纤维的 S1 层以形成微纤维，再经羧甲基化处理，成功制备出兼具高强度、高韧性和高透光率的可替代塑料的透明纸。Zhou 等通过球磨结合 DES 处理木粉，将其直接转化为全木质纤维素基生物塑料，产率高达74. 4% ~ 100%，该塑料通过微/纳米原纤化纤维素与再生木质素之间的氢键缠结作用，可以形成致密的疏水结构(吸水率低于 20%)，其硬度超过天然木材 10 倍以上。Xia 等进一步开发了原位木质素再生技术：先用 DES 溶解木质纤维，再通过简单加水在微/纳米纤维表面诱导木质素原位再生，产生“天然胶水”效应，所得生物塑料不仅具有高强度(128 MPa)、耐水性和抗紫外性，还具备可生物降解性。根据 LCA 分析，该生物塑料在制备过程中所产生的毒性物质及其对全球环境的影响，均显著低于 ABS 塑料和聚氟乙烯。为提升复合材料的功能性，有研究者将 DES 功能化的氮化硼杂化材料引入竹材基体，成功制备出兼具高强度和抗菌性能的功能化竹材。
2.3.4 优势与挑战
植物纤维的非衍生化增塑技术凭借其绿色可持续性展现出显著优势：通过不同溶剂体破坏纤维素的氢键网络、降低结晶度，可在不衍生化羟基的条件下赋予材料高热塑性，同时避免了传统化学改性过程中强活性试剂的生物毒性风险。其中，ILs 兼具高溶解效率与功能化潜力，碱/尿素体系可以实现低温高效溶解，而 DES 因同步解聚木质素与纤维素、兼顾低成本与环境友好性，为复杂植物纤维的全组分利用提供了新路径。然而，此类方法在工业化应用过程中仍面临一定挑战：首先，部分溶剂溶解体系(如 ILs)成本较高，且在规模化应用中回收与循环利用仍存在一定难度；其次，某些工艺需依赖多步预处理或特定操作条件(如脱木质素、低温、高压)，限制了其工艺效率与适用性；此外，针对竹材等含有多种组分的复杂植物纤维原料，实现一步法高效处理的技术仍存在瓶颈；同时，对于溶剂溶解体系的环境风险及其全生命周期影响的系统评估仍有待进一步完善。
2.4 热塑性增强技术的对比分析
在我国推动“以竹代塑”战略的背景下，竹材热塑性增强技术的突破对实现高性能竹基材料替代传统塑料具有关键作用。通过化学取代改性、氧化还原改性和溶解作用三大技术路径，可以实现竹材细胞壁结构与组分调控，提升其热塑性加工性能，并开发出兼具高强度、耐候性和可降解性的竹基塑料产品。3种技术的对比分析见表2。其中，化学取代改性通过疏水性基团取代羟基以破坏纤维素分子间的氢键网络，从而有效降低竹材的软化温度，但该方法在实际应用中面临所用试剂毒性较高及环境污染风险较大的挑战；氧化还原法则基于绿色化学反应体系，实现对竹材全组分的有效利用，但其推广应用受到高成本试剂以及作用机制尚不明确等因素的制约；溶解作用则通过破坏并重构纤维素的氢键结构，显著提升竹材的热塑性，但其在工业化应用中仍需进一步寻找低成本溶剂、优化溶剂回收效率及工艺适配性。
表 2竹材热塑性增强技术对比
3 热塑性增强竹材的自熔成型机制
热塑性增强的竹材在热和压力作用下，组分分子能相互扩散、纠缠并形成牢固的结合，从而无需石油基胶黏剂即可实现成型加工。化学取代改性通过引入疏水性基团(如乙酰基、苄基)，显著降低竹材组分的极性，减弱分子间氢键作用，从而有效降低材料的软化温度。在熔融状态下，竹材大分子链的运动能力增强，更易发生迁移与互穿。在热压过程中，分子链之间相互渗透并缠结，形成强力的物理缠结点，实现自熔接，其熔接强度随取代度的提高而显著增强。例如，高取代度的苄基化竹材界面结合强度可接近其本体强度。
氧化还原改性则通过在纤维素分子链上引入醛基，在热压过程中促使醛基与邻近分子链上的羟基发生缩合反应，形成共价键连接。这种原位生成的共价交联网络大幅增强了界面结合力，使材料获得远超物理缠结的熔接强度，成为制备高强度全竹基塑料的关键机制。
溶解-再生策略通过溶解作用几乎完全破坏纤维素的原始结晶结构，在后续再生阶段通过去除溶剂促使竹材组分间重新形成均匀的氢键网络。经过该过程处理的竹材，不仅内部分子链缠绕更为紧密，同时显示出显著的氢键重构效应，从而进一步增强整体结合性能。热塑性增强竹材在热压过程中通过上述多种机制实现自熔成型，从而确保了新型竹基替代塑料材料具备稳定的物理力学性能。
4 展 望
未来竹材热塑性增强研究应聚焦两个方向。其一，阐明其分子作用机制。现有研究普遍表明，植物纤维热塑性能力的提升源于细胞壁刚性结构解构效应，涉及木质素-半纤维素-纤维素三元交联网络的选择性解离以及纤维素晶区结构破坏等关键过程。然而，植物纤维体系存在显著的种源差异性(如不同竹种)及多级结构异质性：其组织细胞构成具有物种特异性，且细胞壁具有多尺度的层次化结构特征，涵盖化学组成差异、晶体结构多样性以及超分子组装方式的不同，导致热塑性演变机制呈现高度复杂性。因此，可通过多种先进表征手段，研究化学调控前后竹材组分含量、结构变化及其热力学性质差异，定量分析组分解构程度与热塑性响应之间的关系，从而阐明竹材组分分子调控对竹材热塑性增强的作用机制。其二，开发绿色低碳、经济可行的改性技术，推动工业化应用。尽管已研制出性能媲美甚至优于石油基塑料的竹基代塑材料，但高成本、有毒溶剂残留和环境污染仍制约产业化发展。建议采用生物基酸酐或环氧化物等低毒可降解介质替代氯化苄、丙烯腈等有害试剂，结合微波、超声波或机械化学辅助，强化传质传热，缩短反应时间，降低能耗。同时需开展全生命周期环境负荷与成本评估，并与石油基塑料及其他生物基材料对比，为绿色技术路线提供依据。
