受植物角质层启发的竹材表面功能化处理：兼具防火性、超疏水性和生物保护作用

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Plant cuticle-inspired surface functionalization of bamboo: integrating fire resistance, superhydrophobicity, and bioprotection

　　

摘要

竹子作为一种可再生且环保的材料，其广泛应用受到了自身易燃性、吸湿性以及易受生物降解影响的限制。受植物叶片角质层分层屏障结构的启发，本研究采用仿生双层设计，通过真空辅助的逐层沉积技术制备出了一种多功能改性竹材（PPCU-PDB）。该设计独特地将交联的类角质层内层与类似蜡的外层疏水层结合在一起。首先在脱木质化的竹材上构建了由聚乙烯亚胺、植酸和铜(II)离子（PEI-PA-Cu²⁺）组成的交联网络作为类角质层内层，随后通过接枝1H,1H,2H,2H-全氟十二烷基三甲氧基硅烷（PFDTS）形成类似蜡的外层。原子力显微镜（AFM）和三维激光扫描显微镜观察结果显示，该材料具有跨尺度的粗糙度层次结构（微观尺度Sa = 12.00 ± 0.31 μm，纳米尺度Ra = 44 ± 1.02 nm），这对稳定Cassie-Baxter润湿状态至关重要。改性后的材料极限氧指数（LOI）达到43.19 ± 1.10%。与未经处理的竹材相比，其峰值热释放率（P_HRR）和总热释放量（THR）分别降低了50.45 ± 2.21%和19.98 ± 1.45%。水接触角（WCA）为151.3 ± 1.8°，表现出超疏水性，并且尺寸稳定性得到提升（抗膨胀效率ASE = 59.91 ± 2.34%）。其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌率均超过99.99%，对黑曲霉的防霉效果达到75 ± 0%。值得注意的是，这种仿生竹材即使在经过14天的水浸后仍保持自熄灭能力（LOI′ = 35.68 ± 0.94%）和涂层完整性，这种浸后阻燃性能在基于生物的改性系统中较为罕见。这项工作为高性能、耐用且多功能竹材的开发提供了新的仿生范例。