結構材料在現代社會中發(fā)揮著關鍵作用，在建筑、汽車、電子基板、包裝和許多其他結構中提供承重和其他功能。機械強度和材料重量（或密度）是工程應用的兩個重要因素，特別是在必須考慮能源效率的情況下，例如在輕型車輛、飛機和高層建筑中。近幾個世紀以來，傳統(tǒng)結構材料，如鋼、混凝土、磚和石油基復合材料，在建筑和汽車等工程領域發(fā)揮了主導作用。然而，聯合國最近的可持續(xù)發(fā)展目標增加了對開發(fā)可再生生物資源材料的需求和興趣。此外，提高能源效率的需要要求結構材料既輕又強，這是對傳統(tǒng)結構材料的挑戰(zhàn)。
最近，美國馬里蘭大學胡良兵教授在《ACS Nano》上發(fā)表了題為“Rapid Processing of Whole Bamboo with Exposed, Aligned Nanofibrils toward a High-Performance Structural Material”的文章，提出了一種簡單、快速和可規(guī)模化生產的方法，通過部分脫木素和微波加熱將天然竹子加工成高性能結構材料。與天然竹相比，微波加熱脫木素竹的抗拉強度提高近2倍，韌性提高3.2倍，彎曲強度提高2倍，具有優(yōu)異的力學性能。此外，改性竹結構的比拉伸強度達到560?MPa cm3?g–1，鑒于其密度較低（1.0g cm-3），其性能優(yōu)于普通結構材料，如鋼、金屬合金和石油基復合材料。這些優(yōu)良的機械性能加上竹子資源豐富、可再生和可持續(xù)的特點，以及快速、可規(guī)模生產的制造工藝，使得這種強大的微波處理竹子結構對輕質、節(jié)能的工程應用具有吸引力。
圖文導讀
1.竹子是怎么成為高性能結構材料的？
制備方法由兩步組成，分別是部分脫木素和微波加熱。天然竹子首先在NaOH和Na2SO3溶液中進行化學處理，以部分去除細胞壁上的木質素和半纖維素，從而使它們變得更加多孔和柔軟。隨后的微波加熱過程可以迅速排出竹材結構中的水分，并導致劇烈而均勻的收縮，從而形成一種緊密而完整的材料。
天然竹子具有分層的細胞結構，其細胞壁主要由長而硬的纖維素纖維構成，纖維素纖維嵌入由半纖維素和木質素組成的聚合物基質中。在脫木素過程中，部分纖維素、半纖維素和木質素從細胞壁上去除并分散到本體溶液中。脫木素后，竹材的微觀結構也發(fā)生了實質性的變化。由于半纖維素和木質素的去除，部分脫木素后的竹子結構變得更加多孔（圖2D-K）。較小的細胞顯示出明顯的細胞壁分離，而較大細胞的細胞壁變薄，兩者都表明去除某些成分會導致更多孔的結構（圖2F、G、L、M）。此外，經過化學處理后，超細纖維保持長而直，如圖2H、I、N、O所示。
微波加熱可提供快速、均勻的加熱，因此，他們使用微波加熱快速干燥潮濕、部分脫木素的竹子，以誘導劇烈但均勻的竹子結構收縮（即致密化）。在干燥過程中，當竹材受到微波輻射的電磁場作用時，竹材中的偶極水分子開始擺動并產生顯著的熱量，從而在短時間內使樣品溫度均勻升高。如圖3A-C所示，部分脫木素竹材的溫度在300秒內迅速上升至70℃，并保持在~78℃約30-60分鐘（取決于樣品大小）。結果，多孔竹結構變得高度致密，如掃描電子顯微鏡（圖3D-G）所示。而且，小角X射線散射（SAXS）和放大的SEM觀察證明了，經部分脫木素和微波加熱處理后，細胞壁中排列的纖維素納米纖維得到了很好的保存（圖3H、I）。這種高度致密的結構是其高機械性能的重要原因。
他們對不同制造工藝得到的竹子進行了比較。首先，對未經化學預處理的濕天然竹進行了微波直接加熱，結果表明，竹材結構的收縮率是有限的（僅為1-2%），結構完整性得以很好地保持（圖3J）。然后，使用部分脫木素的竹子作為原料，但空氣干燥制成最終產品。盡管達到了足夠的體積收縮，但由于收縮不均勻，竹子結構容易開裂（圖3K）。此外，空氣干燥過程所需時間是微波加熱過程的25倍（<60分鐘vs 1500分鐘），以達到最終產品中相同的含水量（圖3M）。通過對比，可以得出部分脫木素和微波加熱這兩步工藝對于實現均勻致密的竹層結構的重要性。
2.竹基結構材料的拉伸性能
機械性能，如拉伸強度、韌性和彎曲強度對工程應用至關重要。他們對微波加熱脫木素竹進行了機械拉伸試驗，并與天然竹、微波加熱天然竹和風干脫木素竹三種對照樣品進行了比較。如圖4A所示，微波加熱脫木素竹顯示出560MPa的最高拉伸強度、36.1 GPa的楊氏模量和6.8MJ?m–3的斷裂功（即拉伸韌性），比天然竹高1.9倍、2.0倍和3.2倍（圖4A、B）。微波加熱脫木素竹的拉伸韌性高于某些生物基（如天然椴木、致密椴木）、聚合物基（如高密度聚乙烯、聚乳酸、聚甲基丙烯酸甲酯）和碳基（如氧化石墨烯/聚乙烯醇）工程材料。由于微波加熱脫木素竹結構的密度低至1.0 g cm–3，所以其比拉伸強度高達560MPa?cm3?g–1，比天然竹提高了41.4%，大大高于大多數常見的結構材料，如木材、不銹鋼、鋁合金7075和一些常見的聚合物（圖4C）。
微波加熱脫木素竹的優(yōu)異拉伸性能可歸因于其致密的層狀結構（圖4E）。在宏觀尺度上，由于微波加熱過程中的劇烈均勻收縮，與天然竹相比，該材料致密且多孔性較差。在中尺度上，大部分開放細胞由于收縮而坍塌，形成細胞壁密集的層狀結構。此外，在微觀和納米尺度上，細胞壁的長而排列的纖維素纖維在處理后保存良好。此外，半纖維素和木質素的部分去除暴露出更多的纖維素纖維表面積，這可能會增強纖維間的相互作用，從而提高氫鍵密度（通過纖維素分子鏈上的許多羥基）和集體范德華力。部分脫木素和微波誘導致密化后缺陷的減少也有助于獲得更好的力學性能。
3.竹基結構材料的彎曲性能
彎曲特性是工程材料的另一組重要特性。因此，他們進行了三點彎曲試驗（圖5A）。如圖5B、C所示，微波加熱脫木素竹的彎曲強度（248MPa）和楊氏模量（16.5GPa）最高，分別是天然竹的2倍和4倍。與微波加熱脫木素竹材的多尺度結構在拉伸行為中所起的關鍵作用相似，這種致密的層狀結構也是其顯著增強彎曲性能的原因。
亮點小結
綜上所述，作者證明了利用微波加熱技術，可以將部分脫木素的天然竹加工成具有層狀致密結構的高性能結構材料。得到的結構材料具有560MPa的高拉伸強度、6.8MJ m-3的韌性和248MPa的彎曲強度，比天然竹高1.9倍、2倍和3.2倍。由于其相對較低的密度為1 g cm–3，因此微波誘導的致密化竹具有560 MPa cm3?g–1的高比拉伸強度，超過了最常見的結構材料，如鋼、金屬合金、石油基復合材料和一些天然纖維。微波致密竹具有重量輕、機械強度高、原材料豐富、可再生、碳足跡幾乎為零等優(yōu)點，有望成為下一代節(jié)能建筑、汽車等高性能可持續(xù)結構材料，以及其他工程應用。
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