小小竹片化身“植物鋼鐵”上天入地

出品|網易新聞

導語：蘇東坡云：“寧可食無肉，不可居無竹。”中國被譽為“竹文明的國度”，自古以來中國人的衣食住行都與竹子息息相關。然而鮮有人知的是，竹子經過加工之后，竟然能成為“以竹代塑、以竹代木，以竹代鋼”的既古老又前沿綠色高科技材料。

一、竹子憑什么能造高鐵和飛機？

在相對比較固有的認知當中，由于運行速度比較快，基于高速運行之下氣密性問題，因此汽車、高鐵、飛機等是采用新型復合材料打造。

盡管與傳統金屬材料相比，復合材料具有明顯的優勢，但在“低碳綠色”的大背景下，這種材料卻有其天生的弱點——在生產過程中，復合材料在經過固化后很難再次分解和回收利用。因此，碳纖維復合材料的廢料往往只能通過填埋的方式進行處理，對環境造成了一定的影響。

由竹纖維制成的新型生物基復合材料很好地解決了這一問題。這種更加環保的復合材料未來可用于替代玻璃、酚醛類樹脂基復合材料，應用在飛機的機艙內部蓋板、機身包覆蓋板和高鐵車廂等部位。

我國研發的竹纏繞車廂

竹纖維新型生物基復合材料強硬程度遠超不銹鋼，甚至還能像常規鋼鐵一樣承受重壓。這種使用了“竹纏繞復合技術”的新型材料也被稱之為“竹纏繞復合材料”，通俗來講就是將竹子中的纖維，做成一種堪比碳纖維的復合材料，這種材料具有強度大、硬度高、造價低、質量輕等特點，同時還具備防水、防潮、防火阻燃的功能。甚至可以說，能夠與鈦合金“一較高下”，此外使用竹子制造鋼鐵，并不需要新鮮的竹子，通過植物殘渣同樣可以提取相應的纖維。

竹纏繞復合材料的制作過程

竹纏繞復合技術，通俗一點來說，竹纏繞復合材料是指以竹子為基材，以樹脂為膠黏劑，采用纏繞工藝加工成型的新型生物基材料。

首先是薄竹條的制備，將通過膠合、層積、重組等改性方式獲得竹方材，經過軟化刨切為厚度在 0.15~1.5mm 之間薄竹片或厚度為 0.15~1.5mm 之間的微薄竹片，然后根據具體的需要將片接長加工為所需的薄竹條。薄竹條制備完成后，利用氨基樹脂作為膠黏劑，將薄竹條通過機械設備纏繞產品模型之上，等待膠黏劑固化后，再將產品進行脫模處理，經過檢驗最終獲得所需的產品。

多項試驗數據表明，竹纖維比傳統的玻璃纖維質量更輕，卻擁有旗鼓相當的應力水平，這使得它可以成為“飛機客艙、高鐵車廂內部具有簡單幾何形狀的非承力或次承力結構”等部位的理想替代品，并可廣泛替代鋼材、水泥、玻璃鋼、塑料等不可回收的高污染和高能耗原材料。在研發的竹纏繞復合材料產品中，竹纏繞復合管、竹纏繞管廊、竹纏繞整體組合式房屋已進入推廣應用和產業化階段。

二、關于竹子的黑科技還很多
世界鮮有研究嘗試直接將原竹加工成具有理想光學性能的纖維素復合材料。南京林業大學家居與工業設計學院綠色家居材料制造團隊近日取得重要研究進展。

南林大團隊利用簡單的化學預處理脫除原竹中的木質素，它的去除意味著“黏合劑”（連接纖維素和半纖維素）的消失，導致更多孔隙的出現，有利于折射率指數與竹纖維素模板相匹配的樹脂填充。經過快速固化工藝，一款具有優異光學傳輸性能、抗拉伸性能、表面裝飾性和美學價值的透光竹材新材料應運而生。

研究證實，將此透光原竹與透明竹片、電磁屏蔽膜組成一款復合器件，整體結構類似于常見的蜂窩板。其中，透光原竹充當核心骨架，透明竹片為面板，錫摻雜氧化銦薄膜為功能層。此款復合器件可表現出顯著的隔熱、保溫性能以及電磁屏蔽性能，在家居與建筑裝飾材料領域具有廣闊前景。

三、那些年我們被誤導的竹纖維

竹纖維做成面料有著優異的透濕透氣性能，而且還有抗菌功效，深受消費者的喜愛，在很多產品介紹都能看見竹原纖維或者竹漿纖維的標識。

竹纖維制商品標識

僅一字之差，但制備工藝千差萬別。

竹原纖維屬于天然纖維

1）竹原纖維是天然纖維、竹漿纖維化學纖維

竹原纖維：繼棉、毛、絲、麻之后的世界第五大天然纖維，又被稱為天然竹纖維，它能最大程度上保留竹材料的天然優勢。

竹原纖維制備工藝：的生產工藝是中國原創技術，為了能夠利用竹材中天然生長的長絲狀強韌纖維，先對竹子莖部（一年半左右生長期）進行機械碾壓，并通過高溫蒸煮工藝去掉材料內的膠質，之后采用機械物理分絲、化學或生物脫膠、開松梳理相結合的方法分離制取天然的竹纖維結構。

竹漿纖維：將竹子徹底粉碎后提取被破壞的纖維素做成漿粕，再通過添加二硫化碳調制為粘膠狀，通過紡絲機器噴出長絲，成為紡織原料。

竹漿纖維：加入竹炭的化纖

竹漿纖維制備工藝：傳統工藝與黏膠纖維制備相似，將竹子用燒堿溶解成堿纖維素，再與二硫化碳反應生成纖維素磺酸鈉鹽溶液，這種溶液黏性極大被稱為黏膠，將黏膠放入紡絲機中，向含酸性溶液噴射，凝固成絲。

2）竹原纖維占有性能上優勢，竹漿纖維占有價格上優勢

竹原纖維的內部規則的空腔結構使其具備較好的吸附性能。整個加工過程并不破壞纖維本身的抗菌成分，并最終結合在纖維大分子上，因此竹原纖維的抗菌性遠好于其他紡織產品。這就是為何天然竹纖維被廣泛用于衣物、襪子、鞋墊等透濕透氣要求高的部位。

竹原纖維和竹漿纖維的結構差異

目前竹原纖維在推廣中遇到的最大問題是制備工藝問題，竹原纖維僅能與其他纖維進行混紡，還不能進行100%竹原纖維的純紡。分離纖維的過程慢且不穩定，導致了其產品價格居高不下（每噸價格約10萬元）。

相比于竹原纖維，竹漿纖維的制造過程涉及到較多化學方法，使得天然的空腔結構形態被改變，這讓竹漿纖維的透氣性和抗拉性弱于竹原纖維。

纖維材料透氣性對比

然而，竹漿纖維最大的優勢是便宜、加工方便，具備較好的統一性，易被紡織，這使它能被利用在大量領域中。除去以竹材為原料的化纖制備以外，竹漿還大規模用于造紙。竹漿中蘊含的大量纖維素使其成為了不亞于木漿的出色造紙材料。

四、竹子從“窮人的木材”到綠色的瑰寶

我國是世界上最主要的產竹國，2022年的該產業的總產值超過了3000億元，并計劃在2035年達到萬億規模產值，竹產品進出口貿易總額占到了全球的六成以上。

去年11月，中國政府與國際竹藤組織共同發布“以竹代塑”倡議，旨在以行業上下游的共同進步推進人類可持續發展。竹產業集生態、經濟、社會功能于一體，可以說是我國產業升級的主要突破方向之一。

生物質材料能起到良好的固碳作用

竹子僅需要一次種植，就可以多年收獲，再生速度極快，幾乎是無窮無盡的原料來源。竹林具有顯著的吸收二氧化碳、釋放氧氣的生態功能，能較快生長為可利用的生物質。據統計，1公頃毛竹林年均固碳量4.91—5.45噸，是杉木林的1.5倍，是熱帶雨林的1.33倍。推廣使用竹材制品，就意味著固碳于千家萬戶之中。

結語：

竹材料的應用技術，是當今世界新興的材料科學分支之一。竹產業以其技術要求高、產品附加值高、環境效益高為特點，有潛力成為下一個戰略級產業。

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[6] 光明網.中國積極推動“以竹代塑”倡議 加快落實聯合國2030年可持續發展議程.2023.4.12

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[8] 姚蔚銘. 那些年我們被誤導的竹纖維