西南林业大学 Comp. Part A|纤维长度、竹节及PVA处理对竹纤维脱木素增强复合材料强度影响研究

文献分享|纤维长度、竹节及PVA处理对竹纤维脱木素增强复合材料强度影响研究

DOI：10.1016/j.compositesb.2025.113370 

通讯作者：李涛洪副教授

研究背景

竹纤维因其快速再生、高比强度和超高长径比而成为替代能耗密集型合成纤维的潜力候选。尽管已有研究表明短尺寸（1厘米）脱木素竹纤维具备接近碳纤维的优异拉伸强度（>1.9 GPa），但这一结论建立在短纤维测试基础上，未能解决实际应用中的关键挑战：连续长纤维的强度会随长度增加因“最弱环节”效应而显著衰减，且竹节作为天然结构弱点，其在脱木素后的力学行为及其对复合材料性能的影响尚未被系统揭示。

创新点

该研究制备了长达120厘米、跨越竹节的连续脱木素竹纤维，系统量化了超长竹纤维的尺寸效应，借助韦伯统计模型明确了特征强度随长度增加的衰减规律。针对纤维内在缺陷导致的性能下降，通过引入聚乙烯醇溶液浸渍策略，使PVA与纤维素分子间的氢键网络修复微缺陷并增强纤维-基体界面相容性，30厘米长纤维的特征强度提升42%。此外，研究揭示了脱木素竹节纤维的严重力学劣化现象，并通过节点与非节点纤维的混杂铺层设计有效缓解了竹节引发的复合材料强度损失。

图文速览

图1 PVADBF复合材料制备工艺示意图

图2 (a) 自主研发多功能一体化纤维加工装置；(b) 天然竹纤维与脱木素竹纤维外观对比；(c) 120cm脱木素竹纤维在日光与紫外光(365nm)下的状态；(d) 脱木素竹纤维手工编织尝试

图3 竹纤维微观结构与结晶特性表征：(a) 天然竹纤维的扫描电镜形貌；(b) 脱木素竹纤维的扫描电镜形貌；(c) 天然与脱木素竹纤维的X射线衍射图谱对比；(d) 天然竹纤维的拉曼光谱与(e)脱木素竹纤维的拉曼光谱

图4 脱木素竹纤维与聚乙烯醇改性竹纤维的形态特征：(a) 脱木素竹纤维表面的扫描电镜图像，显示其固有缺陷；(b) 日光与紫外光下脱木素竹纤维与聚乙烯醇改性竹纤维的外观对比；

(c) 聚乙烯醇改性竹纤维表面的扫描电镜图像，展示其聚乙烯醇包覆层结构

图5 聚乙烯醇改性竹纤维与聚乙烯醇的结构与光学性能表征：(a) 聚乙烯醇改性竹纤维的X射线衍射图谱；(b) 聚乙烯醇的拉曼光谱；(c) 聚乙烯醇改性竹纤维的拉曼光谱；(d) 脱木素竹纤维与聚乙烯醇改性竹纤维的荧光光谱（EX: 激发光谱，EM: 发射光谱）

图6 (a) 单根脱木素竹纤维与聚乙烯醇改性竹纤维在拉伸断裂前后的图像对比；(b) 单根脱木素竹纤维与聚乙烯醇改性竹纤维的代表性拉伸应力-应变曲线；(c) 不同长度（45厘米、30厘米、20厘米、10厘米、2厘米）天然竹纤维、脱木素竹纤维及聚乙烯醇改性竹纤维的拉伸强度韦布尔分布图；(d) 30厘米长脱木素竹纤维与聚乙烯醇改性竹纤维拉伸强度的韦布尔分布对比图；(e) 脱木素竹纤维与聚乙烯醇改性竹纤维特征强度（σ₀）与纤维长度（L_f）在对数坐标系下的关系图，展示尺寸效应规律

图7

图8 聚乙烯醇改性竹纤维复合材料在日光与紫外激发下的形态特征：正视图 (a)(b) 与侧视图 (c)

图9 脱木素竹纤维增强复合材料力学性能与MHU树脂含量的关系（DBF-1: 23.1 wt%；DBF-2: 26.6 wt%；DBF-3: 31.1 wt%；DBF-4: 35.0 wt%）：(a) 弯曲强度；(b) 弯曲应力-应变曲线；(c) 拉伸强度；(d) 拉伸应力-应变曲线

图10 聚乙烯醇改性竹纤维增强复合材料力学性能与MHU树脂含量的关系（PVADBF-1: 22.1 wt%；PVADBF-2: 26.2 wt%；PVADBF-3: 30.4 wt%；PVADBF-4: 33.0 wt%）：(a) 弯曲强度；(b) 弯曲应力-应变曲线；(c) 拉伸强度；(d) 拉伸应力-应变曲线；(e) 拉伸断面形貌

图11 聚乙烯醇改性竹纤维复合材料拉伸断面的扫描电镜图像：(a) 断面形貌全景图；(b) 拔出纤维表面的扫描电镜-能谱分析

图12 竹节纤维扫描电镜表征：(a) 原始竹节竹纤维；(b) 处理后竹节脱木素纤维

图13 竹节脱木素纤维增强复合材料的力学性能评估；a) 单根竹节脱木素纤维与普通脱木素纤维的拉伸强度对比；(b) 手工铺设的单层竹节脱木素纤维布；(c) 无纬向增强的脱木素纤维复合材料、聚乙烯醇改性脱木素纤维复合材料、混合竹节/无节脱木素纤维复合材料及纯竹节脱木素纤维复合材料的拉伸强度对比；(d–g) 拉伸试样的断面形貌特征