《Journal of Bioresources and Bioproducts》：Scalable Ultrastrong Bamboo Strips via Interfacial Homogeneous Fusion
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为了解决宏观组装竹材因界面理化性质不匹配导致的强度严重下降（~363 MPa）这一难题，南京大学的研究人员提出了一种自增强策略，通过纤维表面暴露的纳米纤丝与原位溶解再生纤维素纳米纤丝的协同效应，显著增加界面氢键密度，设计并制备了具有界面均质融合结构的可规模化超强竹条（SUS-bamboo）。该材料在宏观组装形态下展现出942 MPa的拉伸强度，是传统胶合组装强度的3.5倍，为可持续竹基复合材料的设计与应用提供了先进策略。
竹，作为一种生长迅速、质轻高强的天然材料，自古以来就在建筑、家具等领域广泛应用。其内部的竹纤维单根强度惊人，可达约2.94 GPa，这预示着竹材拥有超越其天然形态的巨大潜力。近年来，通过去除部分木质素和半纤维素以增强纤维间氢键结合，研究者已能制备出拉伸强度接近1 GPa的“超强竹”。然而，一个核心瓶颈始终横亘在实验室奇迹与工程现实之间：当把这些高性能的竹单元拼接成宏观尺寸的构件时，其卓越的强度便荡然无存。传统使用酚醛树脂、脲醛树脂等胶粘剂粘接的竹材，拉伸强度仅约363 MPa，远未发挥出竹纤维的内在潜力。
问题的根源在于“界面”。传统粘接属于“异质粘合”，胶粘剂与竹材基体之间存在物理化学性质的不匹配，导致界面结合弱，成为应力传递的薄弱环节。即使尝试使用竹子自身的木质素进行粘接，也因木质素强度低、与纤维素化学性质不匹配而收效有限。因此，能否找到一种与竹纤维“同宗同源”、兼具高强度和良好界面相容性的“粘合剂”，实现从“异质粘合”到“同质融合”的跨越，从而在扩大尺寸的同时保持甚至提升强度，成为高性能竹结构材料走向大规模应用必须攻克的关键挑战。
针对这一挑战，南京大学的研究团队在《Journal of Bioresources and Bioproducts》上发表研究成果，报道了他们设计并成功制备出一种“可规模化超强竹条”（Scalable Ultrastrong Bamboo, SUS-bamboo）。该研究创新性地提出了“界面均质融合”策略，利用竹子自身的纤维素同时作为被粘物和粘合剂，通过纤维表面暴露的纳米纤丝与原位溶解-再生的纤维素纳米纤丝的协同作用，大幅提升了界面氢键密度，从而实现了高强度竹材的尺度放大。
为开展此项研究，作者运用了几个关键技术方法：首先，对取自4年生毛竹竹青部的竹条进行部分脱木素处理，以暴露纤维细胞壁内的纳米纤丝。其次，使用N, N-二甲基乙酰胺（DMAc）/氯化锂（LiCl）溶剂体系对竹条进行部分表面溶解，在纤维表面形成活化层，并生成可流动的纤维素分子溶液。然后，将处理后的竹条进行组装，通过热压使暴露的纳米纤丝相互交织、同时纤维素溶液再生形成纳米纤维素，从而在竹条间和竹纤维间形成致密、连续的纤维素网络。材料的力学性能通过万能试验机进行拉伸、弯曲和剪切测试评估；微观结构利用扫描电子显微镜（SEM）观察；界面氢键增强通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和动态热机械分析（DMA）进行验证；此外，还系统评估了其耐水、耐热、抗紫外老化、抗湿热循环及生物降解等性能。
研究结果
3.1. 无节SUS-bamboo的制备与宏观性能
通过交替粘接高强度竹条，成功制备出长度可达100厘米的SUS-bamboo。力学测试显示，其拉伸强度高达942 MPa，是天然竹材（267 MPa）的3.5倍；杨氏模量达到32.1 GPa，约为天然竹的3.1倍。扫描电镜（SEM）观察证实竹条间实现了紧密、无缝隙的粘接。
3.2. 自增强界面机制
超高强度源于牢固的界面，该界面由竹细胞壁上的毛发状纳米纤丝与溶解-再生纳米纤维素协同形成自增强效应。部分脱木素暴露了天然竹细胞壁内的纳米纤丝，增大了纤维间有效结合面积。随后的部分溶解进一步释放纳米纤丝，同时生成流动的纤维素分子溶液。当两条竹条接触时，它们的纳米纤丝紧密互锁形成交错结构，而纤维素溶液则渗入纤维空隙，提供额外的活性羟基以增强氢键密度。最终，单个竹条的拉伸强度达到1607 MPa，是天然竹的4.5倍。横截面SEM显示纤维束紧密整合，几乎看不到边界。横向拉伸强度也提升至45.22 MPa，是天然竹的6.7倍。
3.3. 实现有节竹的高性能化
在实际应用中，保留竹节的竹材成本更低，但竹节处大量的薄壁组织和纤维束扭曲会严重削弱强度。研究表明，通过上述界面融合策略处理的SUS-bamboo，即使含有竹节，其拉伸强度仍达到583.1 MPa，是常规有节竹材的2.18倍。断裂面SEM显示，天然竹节处存在大量裂纹，而SUS-bamboo则呈现大量纤维拔出的形貌，表明界面结合牢固，能有效抑制裂纹扩展。即使竹条包含多达五个竹节，强度下降也微乎其微。
3.4. 有节竹组装体的可扩展性与力学性能
有节SUS-bamboo具有良好的粘接强度（10.51 MPa）和可扩展性。两层粘接的组装体拉伸强度为553 MPa，更复杂实用的三层组装体拉伸强度为521 MPa，弯曲强度高达693.4 MPa，分别是脲醛树脂粘接天然竹和脱木素竹的4.8倍和4.5倍。韦布尔分析显示其强度分布极窄，可靠性高。在1.7%应变下进行100次弯曲循环后，仍能保持88%的初始应力且不开裂，表现出优异的抗疲劳性能。
3.5. 实际应用潜力
SUS-bamboo可被延长至任意长度并保持高强度，可用于制造竹缠绕复合管等结构产品。环刚度测试表明，其复合管的环刚度（20.4 kN/m2）是天然竹复合管的5倍。该材料还表现出卓越的环境稳定性：在25至200°C热处理后强度下降很小；在-196°C低温下冲击韧性仅下降约1.2%；在100°C沸水中煮8小时不发生分层，饱和状态下仍能保持362 MPa的拉伸强度。抗紫外老化（UV-B照射72小时）和抗湿热循环测试也表明其性能衰减可控且保有率高。由于其全天然组成，SUS-bamboo在自然环境中约200天内可生物降解97%-100%。此外，制备过程中使用的DMAc/LiCl溶剂可有效回收循环利用，进一步降低了环境足迹。
结论与意义
本研究成功通过构建具有一致理化性质和高氢键密度的融合界面，制备出了可规模化超强竹条。无节形态拉伸强度达942 MPa，更具实用价值的有节三层组装体强度也达521 MPa。这项工作标志着竹材增强策略从传统的“异质粘合”到“同质融合”的根本性转变。所开发的SUS-bamboo不仅实现了高强度与尺度放大的统一，还兼具优异的环境稳定性、可设计性和完全的可生物降解性，同时其制备工艺考虑了溶剂的回收利用，体现了全生命周期的绿色理念。该研究为可持续、高性能生物质结构材料的设计与应用提供了全新的思路和切实可行的方案，使其在建筑、交通、管道工程等众多领域展现出巨大的应用潜力和竞争力。
