Nature sustainability：从天然竹子中提取的可持续高强度大纤维

2022-04-07 09:00:40

高性能纤维作为一种优质的工程材料，具有高拉伸强度、高杨氏模量和大长径比等物理性能，已经被广泛应用于能源、建筑、交通运输等诸多领域。但是，基于石化资源制备的碳纤维、玻璃纤维和聚酯纤维等合成纤维，在制备过程中不仅需要繁杂苛刻的工艺条件，而且还会消耗较多的能源，产生较多的温室气体排放量。因此，在“碳达峰”和“碳中和”的发展战略下，如何更好地利用具有低碳足迹、可自然降解的高性能天然纤维，是研究人员需要思考和解决的一个重要问题。

从植物厚壁组织中分离得到的天然纤维具有多尺度结构特征，表现在通过不同方法获取的纤维，其微纳结构和机械性能存在着显著差异。如采用化学脱胶方法从韧皮部位分离得到的苎麻纤维，长度为~150mm、直径 20-70μm、拉伸强度为 0.8-1.5GPa。而采用自上而下化学方法从木材中分离得到的纳米纤维，长度小于 100μm、直径 5-20nm、拉伸强度高达 7.5GPa，可以进一步加工成为直径 10μm、拉伸强度为 1.57GPa的纳米纤维束。不过，上述自上而下方法还需要配备特定的成型装置，能耗高、用时长，难以实现工业上的规模化制取。

最近，美国马里兰大学胡良兵教授采用一种自上而下的方法，能够实现从竹茎中规模化提取高性能的长竹纤维束。相关研究成果以论文形式在 Nature sustainability 上发表，题目为《从天然竹子中提取的可持续高强度大纤维》（Sustainable high-strength macrofibres extractedfrom natural bamboo）[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature sustainability）

竹子是一种典型的非均质结构，木素、半纤维素和果胶组分把中空的薄壁细胞和近似实心的竹纤维束粘结在一起。在这项研究中，研究人员首先采用过氧甲酸作为温和的化学脱木素试剂，将竹材细胞角隅区域和复合胞间层中的木素与胶质组分选择性脱除。

经过十小时脱木素处理后，再借助水力剪切作用将竹纤维束与相邻薄壁组织细胞进行分离。由于纤维素对过氧甲酸具有低反应活性能够有效避免在脱木素过程中发生严重解聚，所以竹纤维中的纤维素组分在保持较高聚合度的同时结晶度也在不断上升。

在后续的自然风干处理过程中，因为纤维细胞壁中木素组分的去除和毛细管力作用，使得细胞壁中的纤维素分子链之间形成更多的氢键和范德华力结合，纤维束内部产生自致密化现象，增强了结合强度并减少了内部结构缺陷，进而获得了高纤维素含量、高结晶度和结构致密的竹纤维束。

图 | 自上而下方法从竹茎中规模化提取高性能的长竹纤维束（来源：Nature sustainability）

图 | 竹茎在处理过程中的形貌和微观结构演变（来源：Nature sustainability）

可以看出，通过“化学脱木素-自然风干”两步法分离的竹纤维束在偏光显微镜下产生了非常明亮的双折射现象，这说明无定形的木质素和半纤维素组分已被脱除，高结晶度的纤维素组分在细胞壁中呈高度取向分布。

图 | 用“化学脱木素-自然风干”两步法和传统机械方法分离的纤维束超微结构和化学组成比较（来源：Nature sustainability）

一般情况下，用传统机械提取出的纤维束的拉伸强度为 560±200 MPa，杨氏模量为 49.3±5.6 Gpa，性能较差。而采用“化学脱木素-自然风干”两步法分离得到的竹纤维束具有优异的力学性能，力学测试结果表明其平均拉伸强度为 1.90±0.32 GPa，杨氏模量为 91.3 ± 29.7GPa，超过了大多数天然纤维、聚合物基合成纤维、人造矿物纤维等，甚至可与部分碳纤维比肩。此外，长竹纤维束还具有 25.4 ± 4.5 MJ m-3的断裂能和高达 1.26±0.21 GPa cm-3 g-1 的比强度，远超大多数钢丝、合成聚合物等工程材料。

图 | 对竹纤维束的力学性能进行测试（来源：Nature sustainability）

为了模拟在实际应用过程中的效果，该研究团队用获取的长竹纤维加工成正交编织的纤维毡，采用真空辅助成型工艺与环氧树脂进行浸渍制备成复合材料。选取水平和垂直方向的样条进行机械性能测试，发现其拉伸强度为~350 MPa，具有良好的尺寸及性能稳定性，并且和碳纤维织物增强环氧树脂复合材料相近。所以，高性能的长竹纤维束完全可以作为复合材料中的增强相进行使用。生命周期评估结果表明，相对于复合材料中常用的植物纤维、聚合物纤维和碳纤维来说，竹纤维束的碳足迹更低，将其作为替代品可减少 25%-92% 的碳排放量。

图 | 纤维束的生命周期分析及其在高性能聚合物复合材料中的增强应用（来源：Nature sustainability）

该研究有望大力推进对天然纤维材料的研发与利用，并且高性能的竹纤维束可加工成结构复合材料在包括航天、绿色风力发电和汽车等领域得到广阔应用。

本文来源：DeepTech深科技

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