竹材纵向部位梯度结构对重组竹性能的影响机制研究及其应用价值

　　为解决竹材纵向部位差异导致重组竹（Bamboo scrimber）性能不均一的问题，研究人员系统研究了底部（BS-bottom）、中部（BS-middle）和顶部（BS-top）竹材制备的重组竹的力学性能、吸湿性和尺寸稳定性。结果表明，中部竹材制备的BS-middle综合性能最优，其弯曲强度（MOR 145.08 MPa）和弹性模量（MOE 12,821 MPa）显著高于BS-bottom，且尺寸稳定性（TSR 3.92%）满足户外高等级标准。该研究为竹材分级利用和重组竹性能优化提供了关键数据支撑。

　　

竹材作为一种天然生物质材料，其纵向部位存在显著的梯度结构差异，从底部到顶部的直径、壁厚及维管束比例逐渐减小。这种差异虽赋予竹材优异的抗弯和抗剪切能力，但也导致加工时难以获得均一性能的原材料，制约了竹基复合材料在高附加值领域的应用。重组竹（Bamboo scrimber）作为一种新型竹基复合材料，虽通过定向竹纤维毡（OBFM）和酚醛树脂（PF）的复合工艺部分克服了这一问题，但纵向部位差异仍使其性能波动显著，迫使工程应用采用保守的安全系数，限制了其大规模推广。

为解决这一瓶颈问题，中国的研究团队以5年生毛竹为对象，将其分为底部、中部和顶部三部分，制备了密度（1.15 g/cm³
）和树脂含量（15 wt%）一致的重组竹样品（BS-bottom、BS-middle、BS-top），系统分析了纵向部位差异对性能的影响机制。研究发现，中部竹材制备的BS-middle展现出最优的综合性能：其弯曲强度（145.08 MPa）和弹性模量（12,821 MPa）显著高于BS-bottom（123.56 MPa、10,831 MPa），且尺寸稳定性（厚度膨胀率TSR 3.92%）满足GB/T 30364-2013户外高等级标准。相关成果发表于《Industrial Crops and Products》，为竹材分级利用和重组竹性能优化提供了科学依据。

研究团队采用超景深显微镜观察OBFM和重组竹的截面形貌，通过ImageJ软件二值化计算维管束比例；利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析化学组成与晶体结构；采用动态蒸汽吸附仪（DVS）测定吸湿性；依据GB/T 40247-2021标准测试力学性能和尺寸稳定性。

3.1 形貌与化学组成
截面分析显示，OBFM-top的竹黄残留率高达68.04%，显著高于OBFM-middle（30.83%）和OBFM-bottom（27.75%）。重组竹中维管束比例从BS-top（22.03%）至BS-bottom（16.63%）递减，与竹材天然梯度一致。FTIR和XRD表明各组化学基团和晶体结构无显著差异，但BS-middle的纤维素含量（45.7%）高于BS-bottom（42.1%）。

3.2 力学性能
BS-middle的弯曲强度（145.08 MPa）和压缩强度（71.61 MPa）均显著优于BS-bottom（123.56 MPa、61.18 MPa），这与维管束比例正相关；但剪切强度（18.86-20.42 MPa）无显著差异。载荷-位移曲线显示，BS-bottom在压缩测试中更早进入破坏阶段。

3.3 尺寸稳定性
BS-top的吸水率（5.25%）和厚度膨胀率（7.29%）最高，其表面粗糙度（Sa 0.18 mm）是BS-middle（0.03 mm）的6倍，归因于竹黄残留阻碍树脂渗透。

结论与意义
该研究首次明确了竹材纵向部位梯度结构通过维管束分布和竹黄残留率影响重组竹性能的机制，提出中部竹材为最优原料选择。成果不仅为重组竹性能均一化提供了工艺优化靶点（如控制竹黄残留），还推动了竹材从“低效粗放利用”向“精准分级应用”的转型，对促进竹基复合材料在建筑结构领域的应用具有重要实践价值。