离子液体处理亚麻纤维对形态和力学性能的影响：揭示纤维素微纤维角度与基质溶解的关联机制

本研究通过离子液体[EMIM][ACR]选择性溶解亚麻纤维，结合AFM、WAXS、拉伸测试和布里渊光谱技术，揭示了纤维外层（初生壁和S1层）的逐步溶解过程，发现S2层微纤维角度（MFA）与力学性能的关联。结果表明，基质成分（半纤维素/果胶）的溶解导致剪切模量显著下降（12.0 GPa→4.6 GPa），而轴向刚度（C33 ）保持稳定，为植物纤维的高性能应用提供了新见解。

　　

植物纤维因其轻质、高强度和可持续性，在材料科学领域备受关注。然而，纤维细胞壁的复杂结构——由嵌入半纤维素、木质素和果胶基质中的纤维素微纤维组成——使其力学行为难以直接测量。更棘手的是，工业上常用的化学处理（如牛皮纸浆工艺）会破坏纤维的天然结构，而新兴的离子液体（IL）溶解技术虽更温和，但其对纤维亚层结构和力学性能的影响机制尚不明确。亚麻纤维因其高纤维素含量（>70%）和低木质素（<3%）成为理想模型，但其多层级结构（初生壁P、次生壁S1/S2/S3层）中，决定力学性能的关键S2层难以单独研究。

为解决这一难题，国外研究团队在《Materials Science and Engineering: A》发表论文，采用1-乙基-3-甲基咪唑丙烯酸盐（[EMIM][ACR]）对亚麻纤维进行时间梯度处理（15分钟至24小时），结合多尺度表征技术，首次揭示了离子液体选择性溶解纤维外层的过程及其对力学性能的影响机制。

研究团队运用四大关键技术：1）原子力显微镜（AFM）观察表面形貌和微纤维角度（MFA）；2）广角X射线散射（WAXS）验证MFA的全局分布；3）单纤维拉伸测试量化力学性能变化；4）布里渊光谱非接触测量轴向刚度（C₃₃
）和剪切模量（G）。所有实验均在23°C、30-50%相对湿度下进行，纤维样本来自欧洲商用亚麻束。

表面形貌与MFA演化
AFM显示，未处理纤维表面皱褶且无定向结构（图4A），而7小时处理后S2层暴露，微纤维束呈5.7±1.9°的平行排列（图4C），与WAXS结果（5.0±1.6°）高度一致（表1）。24小时处理出现无定形团聚物，表明基质溶解产物再沉积。MFA分布分析（图5）证实，7小时处理后纤维均一性最佳，而延长处理会破坏S2层结构。

力学性能的多尺度关联
拉伸测试显示，随着处理时间延长，杨氏模量从36.2±7.1 GPa（未处理）降至21.7±3.1 GPa（24小时），拉伸强度降低50%（表2）。布里渊光谱进一步揭示：轴向刚度（C₃₃
）仅从47 GPa微降至40 GPa，而剪切模量（G₁₃
）从12.0 GPa骤降至4.6 GPa（图7）。这一差异表明，离子液体主要溶解半纤维素/果胶基质，而纤维素微纤维骨架保持完整。

结论与意义
该研究通过多技术联用，首次阐明[EMIM][ACR]处理亚麻纤维的机制：1）选择性溶解初生壁和S1层，暴露S2层；2）基质降解导致剪切性能显著下降，而微纤维主导的轴向刚度保持稳定。这一发现不仅解释了植物纤维力学性能的层级贡献（S2层微纤维角度决定强度，基质影响韧性），还为定向调控纤维性能提供了新思路——通过控制离子液体处理时间，可精准保留目标亚层结构，优化其在复合材料中的应用。未来研究可聚焦分子水平相互作用机制，或开发更低破坏性的溶解工艺。