高产！马里兰大学胡良兵教授再发《Nature sustainability》：大自然造化！高强度竹纤维素粗纤维

如今，聚酯纤维和碳纤维等坚固、高长径比的合成纤维已作为轻质的结构工程复合材料被广泛用于各种运输、建筑和体育器材等领域。然而，这些纤维需要高能耗且高成本的复杂制造工艺。此外，这类材料在产品生命周期结束时不可生物降解且难以回收，不具备可持续性。因此，大力推进天然纤维材料的研发，使其作为一种可持续的结构复合材料具有重要的意义。

美国马里兰大学胡良兵教授等人报道了一种自上而下的方法，实现从竹茎中规模化生产大尺度的竹纤维素纤维。由于构成纤维的高度结晶纳米纤丝之间的强氢键相互作用，以及由沿纤维轴密集排列的纳米纤丝组成的纳米结构，所得纤维表现出1.90 ± 0.32 GPa的拉伸强度、91.3 ± 29.7 GPa的杨氏模量和25.4 ± 4.5 MJ m−3的韧性。由于密度低，该纤维的比强度高达1.26 ± 0.21 GPa cm-3 g-1，超过了大多数如钢丝、合成聚合物和玻璃纤维等工程材料。生命周期评估表明，用该纤维替代结构复合材料中的聚合物和碳纤维可显著减少碳排放，有望在汽车、航空和建筑等应用领域促进可持续性发展。该研究以题为“Sustainable high-strength macrofibres extracted from natural bamboo”的论文发表在《Nature sustainability》上。

【竹纤维素纤维的提取】

作者首次报道了一种可扩展且具有成本效益的自上而下的策略，通过化学脱木质素和风干法从天然竹茎中大量提取高性能竹纤维素纤维。以过氧甲酸作为温和的脱木质素剂，经过10 h处理后，薄壁组织细胞逐渐开始与长纤维分离，而长纤维中微纤维的有序结构得到了很好的保留。高选择性和高效的羟基和超氧阴离子自由基以及甲酸中的硫酸能够破坏薄壁细胞并将粘合剂裂解成水溶性木质素和半纤维素链段，这些链段可以通过洗涤轻松去除。因此，作者在几乎没有机械损伤的情况下实现了大规模分离竹纤维素纤维，并保留了它们的天然结构。随后的风干步骤使纤维结构进一步收缩和致密化(~1.45 g cm −3)，从而改善构成竹纤维素纤维的纳米纤维的排列和结晶度(~65%)。

图1纤维的制备过程

图2纤维的微观结构

【纤维的机械性能】

作者评估了竹纤维素纤维的机械性能，其平均拉伸强度为1.90 ± 0.32 GPa，杨氏模量为91.3 ± 29.7 GPa，分别是天然竹的7.2倍和6.2倍，而传统机械提取的纤维显示出更差的机械性能，仅有560 ± 200 MPa的拉伸强度和49.3 ± 5.6 Gpa的杨氏模量。该竹纤维素纤维的极限拉伸强度（高达 2.22 GPa）超过了大多数先前报道的天然纤维、聚合物基合成纤维、人造矿物纤维、石墨烯或碳纳米管纤维等，甚至可与沥青基碳纤维相媲美。此外，该纤维还展现出25.4 ± 4.5 MJ m-3的韧性以及高达1.26 ± 0.21 GPa cm-3 g-1的比强度，超过了大多数如钢丝、合成聚合物和玻璃纤维等工程材料。在拉伸测试后，从断裂表面可以观察到纤维中纳米纤丝的良好排列，这证实了纳米纤丝的界面强化机制。

图3纤维的机械性能

【纤维复合材料的实际应用】

与其他天然纤维和合成纤维相比，竹纤维素纤维具有低成本、低密度和高强度的优点，展现出替代碳纤维作为绿色复合材料发展的巨大潜力。作为实际应用演示，作者将竹纤维素纤维来制造竹纤维增强的聚合物复合材料。作者将两片正交编织的竹纤维素纤维织垫浸渍在树脂中，其沿水平和垂直方向的拉伸强度为~350 ± 28 MPa，类似于碳-纤维织物增强的环氧树脂复合材料。因此，竹纤维素纤维可作为复合材料应用中的理想增强材料。此外，与其他天然或合成纤维相比，这些竹纤维素纤维显著减少了温室气体排放，为纤维增强的结构复合材料提供了一种可持续的替代方案，可以减少广泛的结构应用对环境的影响。

图4纤维的生命周期分析及其应用

总结：作者报道了一种简单而有效的方法，实现从可再生竹类植物中提取高性能竹纤维素纤维。所得纤维表现出非常高的杨氏模量（高达 120 GPa）和极限拉伸强度（高达 2.22 GPa），远高于任何其他报道的天然纤维，甚至可与某些碳纤维相媲美。其出色的机械性能来源于构成纤维的高度结晶纳米纤丝之间的强氢键相互作用，以及由沿纤维轴密集排列的纳米纤丝组成的纳米结构。该高模量、高强度的纤维可以成为结构复合材料中玻璃纤维和碳纤维的的替代品，有望减少能源需求和温室气体排放。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41893-021-00831-2

来源：高分子科学前沿

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