水分介导的冻融循环下竹材纤维素水合作用至宏观断裂的多尺度降解机制

　　针对竹材在寒冷气候中因水分相变引发的冻融损伤问题，研究人员通过整合SEM（扫描电镜）、SAXS（小角X射线散射）和力学测试技术，系统研究了不同含水状态（Dry-B/FSP-B/WS-B）竹纤维在超低温下的结构演变规律。研究发现自由水（WS-B）通过冰晶膨胀引发宏观裂纹，而结合水（FSP-B）的纳米受限结晶导致微纤丝孔隙率增加15%，循环冻融使结晶度降低18.8%、拉伸强度下降51%。该研究首次阐明水分阈值（FSP）对竹材低温强化的调控作用，为寒区竹基复合材料设计提供理论框架。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，竹材因其卓越的强度重量比和碳封存能力（12-17吨CO₂
/公顷/年）成为建筑领域的新宠。然而，约40%的陆地寒区环境中，竹材面临严峻挑战——水分相变引发的冻融损伤会显著降低其力学性能。传统研究多聚焦木材的低温行为，却忽视了竹材独特的解剖结构：其径向梯度分布的维管束与薄壁组织形成应力异质性，而高达85.6%的纤维素结晶度更可能改变冰晶传播动力学。这些特性使得竹材在冻融过程中的损伤机制成为亟待破解的科学谜题。

中国林业科学研究院的研究团队在《Carbohydrate Polymers》发表的研究中，创新性地采用多尺度表征技术，首次揭示了水分状态对竹材冻融行为的双重调控机制。研究选取3-5年生毛竹（Phyllostachys edulis）中段无节材，通过控制含水率构建干燥（Dry-B）、纤维饱和点（FSP-B）和水饱和（WS-B）三组样本，结合Cryo-SEM原位冷冻观测、同步辐射SAXS和力学测试，系统追踪了-45℃超低温环境下竹纤维的结构演变规律。

材料与方法
研究团队采用浙江安吉产毛竹，通过NaOH-CH₃
COOH处理制备不同含水状态样本。关键技术包括：冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）原位观察冰晶形貌，同步辐射小角X射线散射（SAXS）定量微纤丝排列度，动态力学分析（DMA）测试储能模量，以及X射线衍射（XRD）测定结晶度变化。30次冻融循环（-40℃至25℃）模拟寒区气候条件。

水分分布与微观结构演变
三维显微成像显示，Dry-B样本因水分蒸发导致微纤丝聚集，而WS-B中自由水形成的冰晶（直径>50μm）沿维管束产生200 MPa膨胀应力，引发宏观裂纹。SAXS分析发现FSP-B样本在-45℃出现15%孔隙率增长，源于纳米尺度结合水结晶对纤维素非晶区的挤压作用。

力学性能退化机制
循环冻融导致半纤维素水解，使微纤丝取向度降低23%。XRD显示结晶度从85.6%降至66.8%，对应拉伸强度下降51%。值得注意的是，FSP以下每增加5%含水率会因冰晶强化作用使弯曲强度提升4%，而超饱和状态（WS-B）经30次循环后强度保留率仅83.5%，显著低于FSP-B的86.5%。

结论与意义
该研究首次建立竹材冻融损伤的双路径模型：自由水主导的宏观断裂（WS-B）和结合水调控的纳米重构（FSP-B）。突破性发现纤维饱和点（FSP）的阈值效应——低于FSP时冰晶可强化细胞腔，而超饱和水分加速化学降解。这一理论不仅解释了竹材在寒区应用的性能衰减机制，更提出"临界水分控制"的创新策略：通过精确调控竹复合材料含水率在FSP以下（约30% MC），可同时利用冰晶强化效应并避免相变损伤。研究成果为极地建筑、高山桥梁等特殊场景的竹结构设计提供了分子层面的理论支撑，也为开发新型冰模板生物复合材料（ice-templated bio composites）开辟了新思路。