随着建筑行业向绿色化、低碳化转型，开发兼顾力学性能、使用安全与资源可持续性的工程材料，已成为生物质材料领域的重要研究方向。竹材具有生长周期短、资源更新快、比强度高等天然优势，在建筑装饰、家具制造及室内工程材料等领域具有广阔的应用空间。然而，天然竹材内部存在大量孔隙及非均匀分布的细胞组织，其木质纤维素组分又容易受到水分、微生物和热环境的影响，导致材料在实际使用过程中面临易燃、霉变及尺寸变化等问题。尽管树脂浸渍、化学改性与机械致密化等方法能够改善部分性能，但竹材细胞壁的致密结构限制了功能组分的有效渗透，过量树脂的使用还可能增加材料密度与制造成本。因此，如何充分发挥竹材原有的承载能力，并通过有限的功能组分实现力学增强、防火及环境稳定性的同步改善，是推动竹基材料工程化应用的重要课题。
近日，江南大学马丕明、杨伟军团队联合华南农业大学欧荣贤教授、内蒙古大学赵再望教授围绕上述问题开展研究，提出了一种以竹材表层结构调节为基础的多尺度界面设计方法。研究团队将选择性脱木素、硅酸钙原位矿化、磷氮组分引入与功能环氧树脂浸渍相结合，通过调节竹材内部的物质传输通道和有机–无机相互作用，在保留天然承载骨架的基础上实现了多功能集成。所制备的竹材/环氧复合材料中阻燃环氧树脂的质量占比仅为5.1 wt%，弯曲强度和弯曲模量分别达到212.6 MPa和21.5 GPa，同时获得36.6%的极限氧指数及UL-94 V-0阻燃等级，并表现出良好的尺寸稳定性和防霉能力。该研究以“Multiscale Interface Engineering of Fire-Safe Structural Bamboo/Epoxy Composites for Sustainable Construction Applications”为题发表于Advanced Functional Materials , 2026; 0:e78295。
图1 | 高性能阻燃竹/环氧复合材料的设计与制备。a，毛竹原料的来源及自然生长环境；b，以天然竹材为起点，通过表层脱木素、无机矿化、磷氮组分浸渍以及阻燃环氧树脂复合和热压致密化构筑多功能竹基材料的工艺示意图。
研究团队采用选择性表层脱木素与原位矿化相结合的策略，实现了竹材内部结构的精准调控。首先，利用甲酸/过氧化氢体系对竹材表层进行温和处理，在保留内部承载骨架的同时形成约0.68 mm深的改性区域。处理后，木质素和半纤维素含量分别由23.0%和18.4%降至12.8%和6.2%，纤维素相对含量提高至79.2%，且原有晶体结构基本保持完整。开放的细胞壁孔隙为后续组分的渗透提供了通道。随后，通过氯化钙与硅酸钠的连续浸渍，在竹材内部原位形成硅酸钙矿物相，并进一步引入磷酸氢二铵及香草醛基阻燃环氧树脂。经140 ℃热压后，竹材孔隙显著减少，纤维、无机矿物与交联树脂形成紧密结合的多尺度复合结构，实现了界面增强与阻燃功能的协同构筑。
得益于上述结构设计，复合材料在力学性能、耐水性和防霉性方面均表现出明显优势。其中，未引入磷氮阻燃盐的竹基复合材料V/D-CMB样品弯曲强度和模量分别达到302.1 MPa和27.2 GPa；进一步引入阻燃组分后，V/D-NCMB仍保持212.6 MPa的弯曲强度和21.5 GPa的弯曲模量，实现了力学性能与阻燃功能的有效平衡。同时，V/D-NCMB的水接触角由天然竹材的31.5°提高至70.1°，24 h浸水后的宽度和厚度膨胀率分别仅为0.7%和0.3%，表现出优异的尺寸稳定性。此外，在25 ℃、95%相对湿度环境中，天然竹材培养60天后出现明显霉菌覆盖，而改性复合材料经过180天仍未观察到明显霉菌生长。这些性能的提升主要归因于竹材内部结构的致密化、树脂与无机矿物的协同作用，使得水分渗透和微生物生长受到抑制。
图 2 | 竹基复合材料的力学性能及耐水性表现。 (a) V/D-NCMB 的制备流程；(b) 径向扫描电镜图，(c) 纵向扫描电镜图，(d1-d2) 表面高倍能谱元素分布图，(d3-d4) 不同深度低倍能谱元素分布图；(e) 应力-应变曲线，(f) 弯曲强度，(g) 弯曲模量，(h) 天然竹材与竹基复合材料的密度；(i) 天然竹材与V/D-NCMB的接触角；(j) 天然竹材与V/D-NCMB的宽度膨胀率和厚度膨胀率。
在消防安全要求较高的室内应用环境中，阻燃性能是评价竹基板材适用性的重要指标。为此，研究团队将含磷阻燃树脂与无机矿物、磷氮组分进行协同设计。VDE分子中的含磷结构与腙键能够促进环氧树脂受热成炭，使固化树脂在800 ℃下的残炭率由1.7%提高至12.4%，峰值热释放速率由582.5 W/g降至264.5 W/g，降幅达54.6%。得益于多组分协同阻燃作用，最终制备的V/D-NCMB复合材料峰值热释放速率降至133.8 kW/m²，较天然竹材降低超过50%；总热释放量由91.8 MJ/m²减少至36.7 MJ/m²，降幅达到60.0%。同时，材料的极限氧指数达到36.6%，通过UL-94 V-0垂直燃烧测试，并表现出良好的抑烟性能。值得注意的是，经过72 h连续浸水后，其极限氧指数仍保持在34.9%，阻燃性能保持率达到95.4%，表明该复合材料不仅具有优异的阻燃效果，还具备较好的湿环境阻燃稳定性。
图3 | 竹基复合材料的热稳定性与阻燃表现；a、b，不同处理竹材的热重及微分热重曲线；c、d，复合材料在锥形量热测试中的热释放速率与累计热释放量；e、f，峰值热释放速率和点燃时间对比；g，与天然竹材的综合性能比较；h，燃烧后试样的宏观残炭形貌；i、j，残余炭层的表面及截面微观结构。
研究团队结合燃烧残余物的形貌和热分解行为，对多组分协同作用进行了分析，以揭示复合材料阻燃性能提高的机理。在材料受热初期，VDE中的含磷结构能够促进酸性含磷物种生成，从而诱导纤维素和环氧网络发生脱水、交联及炭化反应，减少部分可燃性热解产物的释放。与此同时，磷酸氢二铵在分解过程中可产生不燃性含氮气体，并参与凝聚相成炭过程，使燃烧区域中的可燃气体浓度受到一定程度的抑制。不同阻燃组分由此从热解反应和燃烧气氛两个方面共同发挥作用。此外，原位生成的硅酸钙在高温环境下具有较好的稳定性，能够作为无机支撑相嵌入炭层内部。燃烧后的扫描电镜图像表明，复合材料表面形成了较为连续的炭化结构，截面中仍可观察到矿物颗粒。由无机骨架支撑的炭层以及热压过后的致密结构显著抑制氧气、热量和可燃挥发物的向材料内部传输，并有助于减缓局部热量释放。结合树脂相与竹纤维之间的交联和机械互锁作用，材料在常温服役与受热燃烧时分别形成了有效的承载界面和防护结构。这也表明多尺度界面改性不仅改善了竹材内部的应力传递，还能够通过调控其热解与炭层演变过程增强防火安全性。
图4 | 多尺度界面增强及阻燃作用机理。上半部分展示竹材热压致密化、树脂交联以及纤维间物理互锁对力学性能的改善；下半部分说明脱木素、无机矿化、磷氮组分促炭及环氧树脂炭化共同构筑燃烧防护屏障的过程。
总结与展望
该研究利用天然竹材自身的层级结构，通过局部化学调控与功能相协同组装，建立了一条兼顾结构增强和多功能化的竹基材料制备路线。无需完全去除竹材内部的木质素，也不依赖高比例树脂填充，而是借助表层开放孔道、无机矿物支撑和功能环氧浸渍与致密化改性，实现有限树脂用量下的有效增强。最终获得的复合材料兼具212.6 MPa的弯曲强度、21.5 GPa的弯曲模量、36.6%的极限氧指数、UL-94 V-0阻燃等级以及良好的抗水膨胀和防霉表现，为室内家具、装饰板材、建筑隔断及其他非承重建筑构件提供了新的材料选择。尽管该技术在化学试剂循环利用、连续化处理和制造能耗等方面仍有待进一步优化，但其所体现的空间选择性改性与多尺度界面协同理念，为竹材等天然木质纤维素资源的高附加值利用提供了具有启发性的研究思路。
该研究得到国家自然科学基金创新研究群体项目（42421005）的资助，论文第一作者为江南大学硕士研究生王进，马丕明教授和杨伟军副教授为论文共同通讯作者，研究工作同时得到华南农业大学欧荣贤教授、内蒙古大学赵再旺教授的支持和指导。
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.78295
