综述：可持续材料中的天然纤维：提取技术、纤维改性以及性能与可持续性之间的关系

《RSC Advances》：Natural fibers in sustainable materials: extraction technologies, fiber modification, and performance–sustainability relationships

　　天然纤维因其可生物降解性、可再生性和多样的功能性特性，在纺织应用中成为了合成材料的可持续替代品。这些纤维来源于植物、动物和矿物，如棉花、黄麻、大麻、亚麻、丝绸和竹子，它们具有出色的物理和机械性能，适用于服装、家居用品和工业纺织品。使用天然纤维支持循环生产系统，减少对石油基资源的依赖，并降低污染和温室气体排放等环境影响。本文全面分析了天然纤维的属性、提取方法和改性方法，强调了如酶法和微波辅助浸渍等先进加工技术，这些技术可以在提高质量的同时减少对环境的影响。此外，还讨论了天然纤维产业的社会经济效益，包括创造农村就业机会以及利用农业废弃物实现高效生产。尽管存在与变异性、用水量和加工成本相关的挑战，但相对于纤维表面处理和复合材料技术的持续研究正在推动创新并改善性能。将天然纤维整合到纺织制造中是实现可持续时尚、环境保护和循环生物经济的重要途径。

1. 引言
在可持续工程设计中，材料选择起着关键作用，因为材料的物理和机械性能决定了产品的性能、成本、可制造性和环境影响。在环保纤维中，由于易于加工、高生产率和潜在的成本降低能力，天然纤维受到了广泛关注。通过改变增强相和基体相的类型和比例，可以优化其性能。在这种背景下，天然纤维作为聚合物复合材料中的优秀增强材料而脱颖而出，因为它们是可再生的、可生物降解的、低成本的并且广泛可用。天然纤维的密度（1.2–1.6 g cm?3）明显低于玻璃纤维（2.4 g cm?3），这使得可以制造出具有良好特定机械性能的轻质复合材料。因此，大麻、黄麻、剑麻、香蕉纤维、椰壳纤维和肯纳夫纤维等天然纤维已被应用于汽车内饰、家具、建筑、包装和运输托盘等多个领域。它们的使用也与纺织和复合材料制造中对环保和可持续材料日益增长的需求相一致。天然纤维来源于不同的生物源，包括植物和动物，如羊毛、鸡羽毛、毛发和丝绸。植物基纤维主要由纤维素、半纤维素、果胶、木质素、蜡和其他提取物组成，这些成分决定了它们的结构、化学和机械特性。然而，它们的亲水性往往限制了与疏水性聚合物基体的相容性，导致界面粘附力差和湿度敏感性。常用的化学处理方法包括碱处理、硅烷处理或乙酰化处理，以减少羟基、增加表面粗糙度并改善纤维-基体结合。同时，全球对可持续性的日益重视、石油基资源的枯竭以及更严格的环境法规加剧了对生物基材料的兴趣。农业废弃物如谷物秸秆、玉米秸秆、棉花残渣和草类提供了丰富且低成本的木质纤维素生物质。有效利用这些废弃物可以减少露天燃烧、减少污染，并促进农村工业化和循环经济模式的发展。因此，这些生物资源在解决废物管理和为纺织工业提供可再生原料方面发挥了双重作用。天然纤维的物理和化学特性，如细胞壁厚度、纤维尺寸、横截面几何形状以及纤维素、半纤维素和木质素的相对组成，显著影响其拉伸强度、刚度、热稳定性和生物降解行为。此外，由于气候、土壤条件和农业实践的差异，这些纤维的可用性和特性在不同地理区域有所不同。因此，了解生物资源的全球分布对于确定特定地区的可持续工业应用纤维至关重要。本文的下一部分将重点讨论不同国家的天然纤维的生物资源和地理分布，并通过全球地图表示提供概览。本综述的目的是系统地整理和比较植物基、动物基和矿物基天然纤维的来源、分类、关键物理和化学性质以及与纺织和复合材料加工相关的改性路径。特别关注将纤维结构和表面处理与加工过程中的能源需求联系起来，以及由此产生的环境和可持续性影响。通过将现有研究中的分散数据组织成一个统一的框架，将材料属性、基于应用的分类和可持续性评估联系起来，本综述为基于功能和环境标准选择天然纤维用于纺织和复合材料应用提供了明确的参考。

2. 天然纤维的全球分布
天然纤维在全球范围内广泛存在，主要来源于植物、动物和矿物。图1展示了按国家划分的天然纤维可用性分布情况，而表1则呈现了主要天然纤维的生产统计数据。由于其广泛可用性、可再生性和对热带及亚热带气候的适应性，植物基纤维在全球生产中占主导地位。表1显示了世界各地天然纤维的生产情况及其生产国家。

3. 天然纤维的属性
天然纤维根据其植物来源、微观结构和化学组成表现出广泛的物理和机械性能。除了植物基纤维外，动物基和矿物基天然纤维因其蛋白质基和无机成分而表现出不同的物理和机械特性。表2列出了从不同文献来源收集的各种天然纤维的物理和机械性能。这些纤维的密度通常在0.55至1.60 g cm?3之间，显著低于合成纤维，这使得它们适用于轻质复合材料。动物纤维如羊毛和丝绸也表现出相对较低的密度和良好的强度重量比，而矿物纤维通常具有较高的密度和较低的延伸率。阿巴卡（Abaca）
0.83
1.5
900
12–13.8
3–12
55

龙舌兰（Agave）
1.20
126–344
—
—
7.07
56

竹子（Bamboo）
0.51–0.72
21–26
225
17.2
3
57

香蕉（Banana）
1.35
50–250
600
17.85
3.36
56

椰子纤维（Coir）
1.15
100–450
131–175
4–6
4–6
58和59

棉花（Cotton）
1.51–1.6
2–7
287–597
5.5–12.6
3–10
58和60

椰枣（Date）
0.99
—
309
11.32
2.73
56

亚麻（Flax）
1.50–1.53
14.4–15.6
962–1800
46–96
—
61

剑麻（Henequen）
1.4
—
430–580
—
—
14

大麻（Hemp）
1.48
26.5
514
24.8
1.5–4
61–63

硬木（Hardwood）
0.3–1.2
—
—
5.2–37.9
—
64和65

黄麻（Jute）
1.3–1.45
25–200
393–773
13–26.5
1.5–1.8
20和58

肯纳夫（Kenaf）
1.3
—
233
40–53
1.8
66–68

葛藤（Kudzu）
—
—
130–418
—
—
64

丝瓜（Luffa）
0.82
25–60
385
12.2
—
66

剑麻（Napier）
0.36
—
73
5.68
1.4
69

荨麻（Nettle）
0.72
15.5–24.3
1594
59–115
—
70和71

秋葵（Okra）
—
61–93
184–557.3
8.9–11.8
4–8
56

油棕（Oil Palm）
0.7–1.55
—
—
1–9
8–25
64

棕榈树（Palmyrah）
1.09
8
180–215
4.4–6.1
—
72

菠萝叶（Pineapple Leaf）
1.07–1.50
20–80
413–1627
34.5–82.5
1.6
66

苎麻（Ramie）
1.51
34
400–968
60–128
3.6–3.8
58和61

稻壳（Rice Husk）
2.30–2.36
45
—
—
—
73

锯末（Saw Dust）
0.31–0.32
75–600
16–24
(0.2–0.36) × 10^-3
—
74和75

海草（Sea Grass）
1.50
5
453–692
3.1–3.7
13–26.3
56

剑麻（Sisal）
1.45
50–200
468–640
9.4–22
3–6
20和58

软木（Softwood）
1.5
—
1000
0.04
4.4
55

糖棕（Sugar Palm）
1.29
50–800
190.29
3.69
—
72

甘蔗渣（Sugarcane Bagasse）
0.33
67–312
222
27.1
—
66

木屑（Wood Chips）
0.28–0.32
3000–16000
(0.25–0.33) × 10^-3
—
75

羊驼毛（Alpaca Wool）
—
18–35
—
—
25–35
76

羊毛（Sheep Wool）
—
22–55
100–200
—
25–35
76

山羊毛（Goat Wool）
—
10–35
—
—
25–35
76

家蚕丝（Bombyx Mori Silk）
—
10–24
350–500
5–12
10–24
77

柞蚕丝（Tussah Silk）
—
50–70
400–600
9–15
10–25
77

石棉（Asbestos）
—
—
200–1000
—
<3

阿巴卡纤维的密度大约为1.50克/立方厘米，延伸率为3%至12%，抗拉强度可达980兆帕，弹性模量为12–72吉帕，显示出较高的刚性和强度，正如Biagiotti等人所报道的。相比之下，甘蔗渣纤维的密度较低，范围在0.55至1.25克/立方厘米之间，抗拉强度在20至350兆帕之间，弹性模量在0.5至27吉帕之间。甘蔗渣纤维的相对较低强度归因于其较高的木质素含量和多孔的细胞结构。

竹纤维表现出中等的性能，密度在0.60至1.50克/立方厘米之间，延伸率为1.3%至7%，抗拉强度在140–800兆帕之间，弹性模量在11至36吉帕之间。这些数值表明竹纤维在柔韧性和强度之间提供了良好的平衡，这一点在Sathishkumar等人和Sujaritjun等人的研究中得到了强调。同样，香蕉纤维的密度在0.75至1.35克/立方厘米之间，断裂延伸率为1%至9%，抗拉强度在54–914兆帕之间，弹性模量在7.7至32吉帕之间。香蕉纤维的适度刚性和强度与其半结晶的纤维素区域和天然微孔的存在有关。

椰子纤维的密度相对较低，范围在0.38至1.10克/立方厘米之间，抗拉强度在83至222兆帕之间，弹性模量接近12–32吉帕。尽管抗拉性能较低，但其高延伸率使其适用于能量吸收和缓冲应用。椰子纤维属于同一家族的木质纤维素纤维，具有很高的延展性。

棉纤维的密度相对较高，约为1.50–1.60克/立方厘米，延伸率为3%至10%，抗拉强度在200至800兆帕之间，弹性模量在5.5–13吉帕之间。Wambua等人和Saba等人的研究广泛报道了棉纤维的适度刚性和强度。亚麻纤维是最强的韧皮纤维之一，密度接近1.50克/立方厘米，抗拉强度在345至2000兆帕之间，延伸率为1%至4%，弹性模量高达103吉帕。亚麻的优异强度和刚性与其高纤维素含量和低微纤维角度有关。

Zhang等人和Pickering等人证明了大麻纤维具有类似的性能，密度在1.40至1.50克/立方厘米之间，抗拉强度在270–1110兆帕之间，延伸率为1%至4%，弹性模量高达90吉帕。大麻的高机械性能是由于其高纤维素结晶度和强纤维排列所致。黄麻纤维是另一种常用的韧皮纤维，密度在1.30至1.50克/立方厘米之间，延伸率为1.5%至3%，抗拉强度在200–800兆帕之间，弹性模量在10至55吉帕之间。黄麻的抗拉强度的变异性是由于其不均匀的纤维结构和浸渍质量的差异。

菠萝叶纤维具有出色的机械性能，密度在1.07至1.56克/立方厘米之间，延伸率高达14.5%，抗拉强度达到1627兆帕，弹性模量在60至82吉帕之间。这些优异的性能主要归功于其高纤维素含量和强纤维间的结合。苎麻纤维也显示出优异的刚度，密度约为1.50克/立方厘米，延伸率为1.2%至4%，抗拉强度从400至938兆帕，弹性模量高达128吉帕。苎麻的强结晶区域和高度定向的微纤维使其具有出色的承载能力。

剑麻纤维表现出中等到高的机械强度，密度在1.30至1.50克/立方厘米之间，延伸率为2%至7%，抗拉强度在350至855兆帕之间，弹性模量在9至38吉帕之间。剑麻在刚度和延展性方面的良好平衡主要归因于其中等程度的纤维素和木质素含量。

动物纤维如羊毛和丝绸主要是蛋白质基材料。羊毛纤维主要由具有螺旋分子的角蛋白组成，以及二硫键，这些特性赋予了它们弹性和韧性。这种结构导致抗拉强度通常在100–200兆帕之间，断裂时的高延伸率在25–35%之间，以及良好的热绝缘和吸湿性能。羊毛纤维也被研究用于聚合物复合材料的增强，显示出改善的机械性能。丝绸纤维主要由纤维蛋白组成，具有高度有序的β-折叠结构，展现出比羊毛更高的抗拉强度和刚性，通过加工和改性可以进一步增强其机械性能，达到与蜘蛛丝相当的强度。

相比之下，矿物纤维主要指的是石棉，它由天然存在的纤维状硅酸盐矿物组成。石棉纤维表现出高的抗拉强度，通常在200至1000兆帕之间，断裂时的延伸率通常低于3%，同时具有优异的热、化学和电绝缘性能。尽管这些特性使石棉在工业应用中很有价值，但由于其致癌性和相关的健康风险，其使用已基本被停止。

总体而言，如亚麻、大麻、苎麻和剑麻等纤维表现出最高的抗拉强度和弹性模量值，证实了它们适用于高性能结构复合材料。而椰子纤维、甘蔗渣和椰子虽然抗拉强度较低，但具有较高的延伸率和能量吸收能力，因此更适合用于柔性或抗冲击材料。动物纤维特别适合用于绝缘、减震和生物复合材料，因为它们可再生和可生物降解，而矿物纤维则因其极高的耐用性而适用范围有限，但由于环境和健康问题而受到限制。

3.2

天然纤维的最显著生物特性之一是它们的可生物降解性。与许多在环境中持续存在数百年的合成塑料不同，天然纤维可以通过微生物（如细菌、真菌）分解成更简单的化合物，如二氧化碳、甲烷、水和生物质。这一特性使它们成为可持续的替代品，减少了废物积累和环境污染。生物降解的速度和程度受到纤维的物理化学结构（包括化学成分和结晶度）以及环境条件（如温度、湿度和微生物活性）的影响，如表3所示。纤维素是植物基天然纤维的主要成分，通常是可生物降解的。降解过程通常通过重量损失、强度减少和随时间的形态变化来评估。例如，羊毛（一种天然角蛋白纤维）和棉花（一种天然纤维素纤维）在35°C的天然土壤和水环境中42天内表现出显著的生物降解性。类似地，研究人员研究了在土壤埋葬测试和模型堆肥中用纳米粒子功能化的纤维素纤维的降解情况，证明了它们使用后的可持续处置潜力。木质素是木质纤维素纤维的另一个主要成分，其存在可以通过提供硬度和抗微生物降解性来影响生物降解性。然而，从木质纤维素生物质（如核桃壳）中得到的生物炭可以增强微生物群落的丰度和在厌氧消化中木质纤维素材料的降解。

表3

天然植物基和动物基纤维的比较生物特性

**性质**
**植物基天然纤维**
**动物基天然纤维**

**生物降解行为**
* 通过微生物活动在土壤和水环境中快速生物降解。降解速率受多糖可及性的影响，并与木质素含量成反比*
* 在自然和堆肥条件下通过针对蛋白质骨架的微生物酶活性进行生物降解*

**生物降解机制**
* 通过纤维素酶和半纤维素酶的酶水解，导致质量和机械性能逐渐丧失*
* 微生物对角蛋白和纤维蛋白链的蛋白质水解*

**代表性证据**
* 大麻、黄麻、剑麻、苎麻、再生纤维素和Tipuana tipu果实纤维表现出显著的降解，其组成（纤维素-半纤维素-木质素比例）影响降解动力学*
* 羊毛在土壤、水性和好氧堆肥环境中表现出显著的生物降解性，可与PLA和棉花相当或超过*

**细胞相容性**
* 由于化学惰性和无毒性降解产物，通常具有很高的细胞相容性；通过表面改性可以进一步提高其在生物医学中的应用适合度*
* 丝素纤维和角蛋白具有优异的细胞相容性和生物活性，特别是在组织工程和再生医学中具有广泛的应用*

**抗菌潜力**
* 内在的抗菌活性有限；通过化学改性或添加抗菌剂可以调节抗菌性能*
* 通常缺乏强固的内在抗菌活性；需要功能性改性来赋予抗菌行为*

**其他生物功能**
* 作为金属离子的有效生物吸附剂，因为含有丰富的羟基和羧基功能团；也用作微生物增强自修复复合材料的生物增强剂*
* 适用于具有定制生物和机械性能的工程生物复合材料；过敏反应主要取决于纤维的形态和加工方式*

3.3

天然纤维的化学成分在很大程度上决定了它们在纺织品和复合材料应用中的物理、机械和界面性能。天然纤维是复杂的生物聚合物，主要由纤维素、半纤维素、木质素、果胶和少量提取物组成，它们的相对比例根据植物来源、生长条件和提取方法而变化。纤维素是一种线性多糖，由β-葡萄糖吡喃单位组成，形成了主要的结构框架，并通过广泛的分子内和分子间氢键贡献了高的抗拉强度、刚性和尺寸稳定性。纤维素的聚合度和结晶度显著影响纤维的机械和吸附性能。半纤维素是一种非晶态的短链多糖，将微纤维结合在一起，影响柔韧性和亲水性，尽管其低热稳定性和生物稳定性使纤维更容易吸湿和微生物降解。木质素是一种三维酚类聚合物，起到粘合材料的作用，提供刚性、抗紫外线性能和抵抗微生物攻击的能力；然而，高木质素含量通常会降低柔韧性和可纺性。果胶和表面蜡决定了纤维的平滑度和可染性，它们在浸渍或碱处理过程中的部分去除可以改善后续加工中的粘附性和润湿性。

表4

天然纤维的化学成分

**纤维**
**半纤维素（重量%）**
**纤维素（重量%）**
**木质素（重量%）**
**参考文献****竹子**
30
26–43
21–31
118

**椰壳纤维**
0.15–0.25
32–43
40–45
119

**枣椰树**
18–25
41–46
20–27
120

**香蕉**
38.54
43.46
9
121

**甘蔗渣**
16.8
55.2
25.3
122

**Abaca纤维**
20–25
56–63
7–9
123

**黄麻**
14–20
61–71
12–13
124

**剑麻**
—
65
9.9
122

**大麻**
15
68
10
125

**苎麻**
13–16
68.6–76.2
0.6–0.7
126

**亚麻**
18.6–20.6
71
2.2
126

**肯纳夫**
20.3
72
9
120

**菠萝**
—
81
12.7
118

**棉花**
5.7
82.7–90
<2
124

**文献中报告的典型成分范围表明，棉花含有约88–96%的纤维素和极少量的木质素（<1%），黄麻和大麻含有60–70%的纤维素和15–22%的半纤维素以及8–12%的木质素；而椰壳纤维的特点是纤维素含量较低（32–43%），但木质素含量非常高（40–45%），这赋予了其卓越的耐用性和防水性。**最近的研究进一步证明了植物纤维之间的差异性；例如，Ficus racemosa纤维含有72.36%的纤维素、11.21%的半纤维素和10.45%的木质素，而Acacia arabica纤维含有68.61%的纤维素、15.63%的半纤维素和9.47%的木质素。**同样，Ficus carica树皮纤维含有62.1%的纤维素、12.3%的半纤维素和9.6%的木质素，这证实了植物来源的差异显著影响化学成分，从而影响纤维的性能。**这些纤维的密度也反映了成分的变化，Ficus racemosa纤维的密度约为895公斤每立方米。**基于蛋白质的纤维，如羊毛和丝绸，其组成几乎完全由角蛋白和丝素组成，它们的肽键和硫交叉桥决定了它们的弹性和抗变形能力。**

纤维素和半纤维素中的羟基团使其具有化学反应性，可以通过碱性处理、硅烷偶联、乙酰化或接枝反应进行表面改性，以提高与疏水性聚合物基质的相容性。尽管这样的处理可以提高粘附性并减少吸湿性，但纤维对强酸和氧化剂仍然敏感，这些物质可以切断糖苷键并降低分子量。**这些成分差异清楚地将富含多糖的植物纤维与基于蛋白质的动物纤维和无机矿物纤维区分开来，后者缺乏反应性的羟基团，因此需要不同的改性策略或不适合用于复合材料的化学功能化。**天然纤维的化学特性决定了它们的内在性能，如强度、耐用性和可染性，同时也决定了它们的加工行为和环境稳定性，使得化学成分成为设计用于先进纺织和复合材料纤维的关键因素。**

**3.4 热性质**

天然纤维的热性质对于确定它们的加工行为、尺寸稳定性以及适用于纺织和复合材料的适用性至关重要。一般来说，纤维素纤维（如棉花、亚麻、黄麻和大麻）的热稳定性有限，通常在220–250°C开始降解，这对应于半纤维素和非晶态纤维素区域的分解，随后在300–350°C由于纤维素分解而发生大量质量损失。**400°C以上形成的残炭主要归因于木质素，由于其芳香族、交联的聚合物结构，木质素在更宽的温度范围内（200–500°C）分解。**木质素含量越高（如椰壳纤维），残炭产量和热阻越大，这提高了其在热绝缘和复合材料增强应用中的性能。相比之下，低木质素的纤维（如棉花）容易点燃，产生的残炭很少。**与植物和动物来源的纤维相比，基于矿物的纤维表现出更好的热稳定性，因为有机成分（如纤维素、半纤维素、木质素和蛋白质）通常在200–300°C之间降解，而矿物纤维由于其结晶的硅酸盐结构和强离子或共价键，可以承受超过500°C的温度。**

天然纤维的热导率和热容量通常较低，范围在0.04到0.06瓦特每米开尔文之间，使它们成为防护服装和建筑纺织品的优秀热绝缘材料。**水分含量起着重要作用，因为吸收的水分充当热沉，影响纤维的比热容量和热扩散性。**纤维素的结晶区域抵抗热运动，而非晶区域在高温下较早软化，导致收缩和机械完整性的丧失。**对于基于矿物的纤维，热导率受密度、纤维直径和工作温度等参数的影响。例如，玄武岩纤维绝缘材料的熱導率值在100°C至400°C的平均温度范围内介于0.038至0.053瓦特每米开尔文之间，温度的影响比密度更显著。**玄武岩纤维的孔隙性和纤维结构显著降低了其热导率，通过将空气困在材料内部来阻碍热传导、对流和辐射的热传递。**在多孔绝缘系统中，总热导率由固体传导、对流热传递和辐射传递的组合贡献决定（k = kc + kconv + kr）。

**基于蛋白质的纤维，如丝绸，在280–290°C左右因丝素中的肽键断裂而发生热降解，**而羊毛在200°C左右开始降解，因为角蛋白中的二硫键断裂，释放含硫的挥发物。**这种相对较低的热稳定性限制了动物纤维在高温度环境中的使用，但支持它们在热绝缘和舒适相关纺织品中的应用。**热分析技术，如热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）被广泛用于表征这些行为，提供了不同纤维类型 degradation 动力学和活化能的见解。**玄武岩纤维也通过热扩散率测量进行了广泛研究，包括在玄武岩纤维增强聚合物复合材料中的应用。**

**当玄武岩纤维加入复合材料和建筑材料中时，可以进一步提高热绝缘性能。**研究表明，玄武岩纤维的添加改善了泡沫高岭土基复合材料、高压蒸气混凝土和传统混凝土混合物的热绝缘性能，有助于提高建筑物的能源效率。**例如，含有15%玄武岩纤维的混凝土在热导率值低至0.283瓦特每米开尔文，显示出其在节能结构应用中的潜力。**

**3.5 形态学性质**

天然纤维的形态学特征在确定它们的物理、机械和界面性能方面起着至关重要的作用。这些纤维具有复杂的层次结构，包括初级壁、次级壁和内腔等多层，共同定义了它们的表面拓扑、结晶性和整体机械性能。**外层初级壁富含果胶和蜡质，有助于表面光滑和保护，而主要由纤维素微纤丝组成的次级壁嵌入半纤维素-木质素基质中，决定了纤维的强度和刚性。**微纤丝角度（MFA），代表纤维素微纤丝相对于纤维轴的方向，是一个关键的结构参数；较小的角度（5–10°），如亚麻和大麻中观察到的，导致更高的拉伸强度和刚性，而黄麻或椰壳纤维中的较大角度则提高了柔韧性但降低了模量。**内腔是沿着纤维轴的中央空心通道，其大小因纤维类型而异，影响密度、吸湿性和热绝缘性能。**

**使用扫描电子显微镜（SEM）的显微镜观察显示，植物纤维通常具有粗糙和不平坦的表面，具有不同的孔隙率和纤维化程度，这显著影响纤维-基质的粘附性和着色性。**棉花纤维显示出复杂的带状结构并带有天然扭曲，亚麻和大麻具有多边形横截面和明确的内腔，**而椰壳纤维具有厚细胞壁和狭窄的内腔，有助于提高刚性。**基于蛋白质的纤维显示出不同的形态；羊毛具有重叠的角质层鳞片，负责形成毡状结构和摩擦行为，而丝纤维具有光滑连续的表面，产生出色的光泽和悬垂性。**X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）等技术被广泛用于分析结晶方向和分子排列，证实大多数植物基纤维具有以纤维素I多态为主的半结晶结构。**结晶度通常在50–80%之间，这取决于纤维类型和处理方式，直接影响拉伸强度、尺寸稳定性和染色性能。**因此，天然纤维的形态学结构和微观结构参数对于理解它们的性能和优化其纺织和复合材料应用的处理至关重要。**

**4 天然纤维的分类**

**4.1 基于来源**

图2展示了根据来源将天然纤维分为三类：植物基、动物基和矿物基纤维。

**4.1.1 植物基纤维**

**竹子**

竹子是一种生长迅速的木本草本植物，属于禾本科家族，广泛分布于热带、亚热带和温带地区，特别是在东南亚和南美洲。**其快速再生、高生物量产量和广泛的可用性使竹子成为建筑、家具、纺织品及相关应用的重要可再生木质纤维素资源。**竹纤维主要从竹秆中提取，如图3所示，主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，这些成分占总干重的90%以上，而蜡质、树脂、单宁、蛋白质和灰分等次要成分影响表面化学性质和加工行为。**纤维提取通常通过化学或机械方法实现；化学处理包括用氢氧化钠进行碱水解，随后进行二硫化碳处理和漂白，而机械处理依赖于酶促分解和机械分离。**尽管机械方法需要更多的劳动力和成本，但由于化学消耗较低，因此被认为更环保。**

**图3**

**从竹秆尺度到组织级别的竹子层次结构示意图。**由于竹纤维的热稳定性和纤维形态，它们被广泛用作沥青混合物的增强剂。**Sheng等人报告称，竹纤维增强的密级配（DG）和石基质沥青（SMA）混合物在混合和压实过程中保持稳定，马歇尔稳定性和冻融测试证实了其良好的耐水性。**观察到了抗车辙性和低温抗裂性的提高，最佳纤维含量分别为DG混合物的0.2–0.3%和SMA混合物的0.4%。**Xia等人进一步表明，竹纤维可以替代木质纤维，因为其具有更好的耐水性和低温稳定性，尽管木质纤维的机械强度略高。**竹纤维改性的沥青的延展性和粘附性得到提升，这归因于粗糙的纤维表面、吸油能力和相对较高的密度，这些特性有助于提高混合物的柔韧性和抗裂性。**实验室老化研究表明，竹纤维改性的沥青表现出与聚酯纤维系统相当的刚性和疲劳性能。**然而，竹子的亲水性可能限制其与沥青的界面结合，**因此需要表面改性方法，如三聚氰胺-甲醛共聚物处理，这显著提高了拉伸强度和稳定性，SEM证据也证实了纤维-基质的粘附性得到了增强。

**椰壳纤维**

椰壳纤维，也称为椰纤维，是从椰子外壳中获得的木质纤维素材料，主要在热带地区种植，特别是在东南亚。**根据颜色，它分为两种类型：白色和棕色椰壳纤维。**白色纤维来自未成熟的椰子，而棕色纤维来自完全成熟的果实，如图4所示。**根据Adeniyi等人的研究，**椰壳纤维的化学成分包括纤维素（32–50%）、半纤维素（0.15–15%）、木质素（30–46%）和果胶（3–4%），表明纤维素和木质素是其主要成分，提供了耐久性、强度和耐候性及防水性。**此外，椰壳纤维具有低成本、低密度、高断裂伸长率和生物降解性等显著优点。**Oda等人将椰壳纤维与其他天然纤维（如剑麻、纤维素和聚酯）进行了比较，发现椰壳纤维具有更好的强度和稳定性特性。**另一项研究也证实，由于其优越的结构性能，椰壳纤维可以有效替代纤维素纤维，尽管其刚性可能导致复合材料变得更脆。**在另一项研究中，Norhidayah等人使用了椰子壳和纤维，其中壳部分替代了粗骨料，替代比例为0%、5%、10%和15%，纤维添加量为0.3%和0.5%。**由于它们的高吸收能力，这两种材料都用氢氧化钠（NaOH）预处理了一小时。研究结果表明，将10%的椰子壳与0.3%的椰子纤维结合使用，显著提高了所得材料的稳定性和抗变形能力（见图4）。

椰子的解剖结构层次突显了用于提取椰纤维的纤维外壳。

4.1.1.3 黄麻

黄麻属于椴科（Tiliaceae）的韧皮纤维，主要在印度、孟加拉国、巴基斯坦、中国和巴西等国家种植。由于其细密的质地、较低的热导率以及相对较低的成本，黄麻被广泛用于纺织、建筑和汽车行业。与其他天然纤维类似，黄麻主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。图5展示了黄麻纤维的微观结构。Rashid等人研究了黄麻纤维作为增强材料的应用，他们发现当黄麻纤维含量为0.5%和1%时，根据马歇尔稳定性和流动性测试，材料的稳定性分别提高了29%和10%；同时最佳粘合剂含量从4%增加到了5%。纤维增强混合物表现出更好的抗变形能力，其中0.5%的纤维含量被认为是最有效的剂量。Ismael等人通过不同的比例（0.25%、0.5%和0.75%）和长度（5毫米、7.5毫米和10毫米）测试了黄麻纤维、聚酯纤维和碳纤维的组合效果。他们的结果显示，所有纤维都提高了材料的抗车辙性能和稳定性，尤其是在0.5%的纤维含量和7.5毫米的长度条件下。碳纤维的改善效果最为显著（车辙抗性提高了53%，动态稳定性提高了100%），其次是聚酯纤维（分别提高了34%和63%），而黄麻纤维则在排水性能上表现最佳。除了在热混料中的应用外，黄麻纤维也被成功应用于温拌料和冷拌料系统中。在温拌料应用中，加入黄麻纤维显著提高了材料的抗断裂能力（尤其是在I型拉伸条件下），表明其拉伸强度得到了提升，最佳纤维含量为总混合材料的0.3%（见图5）。

4.1.1.4 西沙尔纤维

西沙尔纤维是从原产于墨西哥南部的西沙尔植物中提取的天然叶纤维，如今该植物已在热带和亚热带地区广泛种植。西沙尔纤维的提取通常采用两种主要技术：首先进行浸渍处理，然后进行刮取，或者采用机械去壳方法。其中，机械提取法往往能够获得质量更优的纤维。西沙尔纤维的化学成分因植物的成熟度而异，但多项研究表明其主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，其中纤维素的含量最多。由于其低成本、轻质、高抗拉强度和较高的刚性，西沙尔纤维被应用于造纸、纺织、地毯、绳索和土工织物等领域，以及复合材料和建筑材料的制造中。西沙尔纤维增强材料的性能在很大程度上取决于纤维的长度和含量。Ramalingam等人研究了不同长度（5毫米、10毫米、15毫米和20毫米）和含量（0.05%、0.1%、0.2%和0.3%）对材料力学性能的影响，结果发现少量添加西沙尔纤维可以提高疲劳抗性和耐湿性，但过量添加会降低材料的稳定性。最佳性能出现在15毫米长的纤维含量为0.05%且粘合剂含量为5.4%的情况下。Kar等人评估了西沙尔纤维在石蜡乳化沥青（SMA）和密级配混合物中的稳定作用，发现添加西沙尔纤维可以提升马歇尔稳定性和拉伸强度，同时降低流动性、孔隙率和排水性能。与密级配混合物相比，含有0.3%西沙尔纤维的混合物在力学性能上更为优越。西沙尔纤维也被成功用于热拌料系统，不仅在热拌料中有所应用，在温拌料和冷拌料系统中也得到了应用。在温拌料应用中，西沙尔纤维显著提高了材料的抗断裂能力，表明其拉伸强度得到了提升，最佳纤维含量为总混合材料的0.3%（见图5）。

4.1.1.5 棉纤维

棉纤维是棉花植物（Gossypium属）种皮的单细胞延伸部分，是全球最具经济价值的天然纺织纤维。棉纤维主要由纤维素组成，占干重的88-96%，其余部分包括蛋白质、蜡质和果胶。棉纤维的独特性质，如柔软性、吸水性、可纺性和舒适性，使其在纺织、卫生产品和医疗应用中得到广泛应用。棉纤维的发育涉及多个阶段，包括伸长过程中的初级细胞壁合成和随后的次级细胞壁增厚，在此过程中几乎合成了纯纤维素。纤维素合成酶复合体（CSC），特别是GhCesA 4、7和8亚基，在纤维素的合成和组装过程中起着关键作用，这些亚基在次级细胞壁合成过程中形成了类似36聚体的超级复合体。这些微纤维与基本纤维共同构成了细胞壁的结构，影响了纤维的强度和刚性（见图7）。

4.1.1.6 蕨麻

苎麻（Boehmeria nivea L.）是一种多年生草本植物，以其强韧的韧皮纤维而备受重视，常被称为“天然纤维之王”。这种天然纤维具有多种优良特性，包括迷人的光泽、高韧性、高强度、良好的抗菌性、优秀的吸湿性和透气性。这些特性使苎麻成为纺织工业的重要原材料，并为多种复合材料应用提供了可持续的替代选项。然而，原始的苎麻纤维被一种主要由果胶、半纤维素和木质素组成的胶质物质紧密包裹，必须通过脱胶工艺去除这些物质以分离出纤维素纤维，从而揭示其独特的纺织和工业用途。脱胶的效率直接影响苎麻纤维的质量和最终用途。图8展示了苎麻纤维的结构。

4.1.1.7 凤仙麻

凤仙麻（Hibiscus cannabinus L.）是一种生长快速的一年生韧皮纤维植物，属于锦葵科（Malvaceae），主要在印度、孟加拉国、泰国和非洲部分地区种植。由于其高产量潜力（每公顷可达6-10吨）和较短的栽培周期（4-5个月），凤仙麻已成为最具前景的可再生纤维之一。凤仙麻的组成使其具有低密度（1.2-1.4克/立方厘米）、高比强度和中等刚性，适用于纺织和复合材料应用。凤仙麻中的纤维素微纤维以较小的微纤角度（约7-10°）排列，这有助于其实现高抗拉强度（通常在400-800兆帕之间）和杨氏模量（20-60吉帕），具体数值取决于提取方法和成熟程度。

4.1.1.8 凯纳夫

凯纳夫（Kenaf）是一种生长迅速的一年生韧皮纤维植物，属于锦葵科（Malvaceae），主要在印度、孟加拉国、泰国和非洲部分地区种植。由于高产量潜力（每公顷可达6-10吨）和较短的栽培周期（4-5个月），凤仙麻成为最具前景的可再生纤维之一。凯纳夫纤维的密度低（1.2-1.4克/立方厘米）、高比强度和中等刚性，使其适用于纺织和复合材料应用。凯纳夫中的纤维素微纤维以较小的微纤角度排列，这有助于其实现高抗拉强度。从细胞壁到分子层面的层次结构显示，纤维素微纤维组织成微纤和基本纤维，其中包含结晶区和非晶区。

4.1.1.9 凤梨麻

凤梨麻（Kapok）是从Ceiba pentandra果实中提取的植物基种子纤维，以其独特的中空结构和极低的密度而闻名。这种纤维主要分布在热带地区，印度是全球供应量的主要来源国，占全球供应量的约85%。凤梨麻纤维是单细胞的、非木化的，具有中空的管状结构，管状空间占横截面积的80-90%，典型长度为10-35毫米，直径为10-25微米，因此密度非常低（0.03-0.05克/立方厘米）。光滑的纤维表面覆盖着一层薄蜡，这与具有节点或皱纹的韧皮纤维不同，这种结构赋予了凤梨麻疏水性和亲油性。FIB-SEM分析显示其管壁厚度为806.1-863.3纳米，中空率为82.40-85.56%。凤梨麻主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，含少量蜡质（0.5-2.0%），其中含有如双（2-乙基己基）邻苯二甲酸酯和N,N-二甲十二酰胺等疏水化合物；使用乙醇或氢氧化钠进行表面处理可以去除非纤维素成分，提高纤维表面的极性和纤维与基质的黏附性。凤梨麻的显著中空结构使其具有出色的浮力特性和空气捕获能力，但抗拉强度（3-8兆帕）和模量（20-60兆帕）较低，相比之下，如亚麻之类的韧皮纤维的这些性能更强。表面改性的凤梨麻纤维在复合材料系统中表现出更好的界面结合性能，表明可以根据需要调整其性能，尽管纤维的方向性和管腔的保存也是关键因素。这种中空结构也影响了凤梨麻的热导率（0.033-0.040瓦特/米·开尔文）和声学阻尼能力，由于其内部含有空气。与其他bast纤维相比，亚麻提供了强度、细度和加工性能的平衡组合，而大麻则具有更高的延展性；苎麻虽然强度较高，但柔韧性较低且加工要求更高；黄麻和肯纳夫的拉伸强度通常较低。因此，亚麻仍然是高性能木质纤维素复合材料开发的基准bast纤维。

4.1.2 基于动物的纤维

4.1.2.1 羽毛纤维

家禽工业产生了大量的废弃物，美国每年大约产生40亿磅的羽毛废弃物，全球每年宰杀的鸡超过200亿只。这种累积对环境和健康造成了关注，因此人们对将鸡羽毛纤维（CFFs）作为复合材料中的可持续材料进行了越来越多的研究，如图9所示。CFFs的特点是密度低、比强度高，并具有优良的热绝缘和声绝缘性能，使其适用于轻量和节能系统。从化学成分上看，CFFs由大约91%的角蛋白、1%的脂质和8%的水分组成，氨基酸通过二硫键和氢键交联，赋予了其机械强度、化学耐受性和耐用性。从结构上看，羽毛具有分层结构，包括一个中央的羽轴和分支的羽枝和细小的羽枝，形成了类似蜂窝状的角蛋白基矩阵，这有助于提高硬度、柔韧性和有效的声音及热绝缘性能。

图9 展示了鸡羽毛纤维的结构。多项研究已经证明了将CFFs纳入聚合物复合材料的可行性。Winandy等人报告说，在基于木材的复合材料中加入羽毛纤维会导致硬度略有下降，但由于角蛋白的疏水性，水的抗性显著提高。Zhan等人发现羽毛羽枝的拉伸强度和模量具有很大的变异性，这使得可以定制复合材料的性能。Huda等人表明，含有羽毛的聚丙烯复合材料比基于黄麻的系统具有更好的降噪系数，这归因于中空的羽毛结构和内部的空气囊；他们还报告说，含有羽毛、再生浆和肯纳夫纤维的混合聚丙烯复合材料虽然从羽毛纤维中获得的硬度贡献较低，但仍具有积极的效果。Amieva等人发现，含有5-10%羽毛纤维的聚丙烯复合材料优化了载荷传递和动态存储模量，而更高的纤维含量则导致基体过载。Cheng等人证明，注塑成型的CFF/聚乳酸复合材料与纯PLA相比，具有更好的拉伸模量、存储模量和热稳定性，表明了有效的增强作用和界面粘附。使用过氧化氢、氢氧化钠或氢氧化钾进行表面改性进一步改善了拉伸和物理化学性能，通过去除表面杂质并暴露反应性角蛋白位点；Barone等人报告说，在CFF/低密度聚乙烯复合材料中，这种改性提高了屈服应力和弹性性能，SEM证据也支持了纤维-基体粘合性的改善。

4.1.2.2 丝绸

丝绸是一种基于蛋白质的天然纤维，其性能受到丝胶分子排列的影响。家蚕丝（桑蚕丝）是最广泛使用的形式，主要由丝胶和丝胶蛋白组成，其中丝胶构成承重纤维核心，而丝胶蛋白则作为外层粘合剂在加工过程中被去除，以改善柔软度、光泽和染色亲和力。丝胶蛋白是一种半结晶蛋白质聚合物，富含甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸，形成β-折叠晶体结构，赋予了拉伸强度和硬度；同时，无定形区域的存在提供了柔韧性和延展性。这种分层结构使丝绸在强度和变形能力之间达到了平衡。蜘蛛的牵引丝来自Nephila物种，其在天然纤维中的性能上限最高，拉伸强度接近1.5 GPa，延展率超过40%，这是由于β-折叠纳米晶体嵌入无定形蛋白质基质中。这些性能在大约150°C的温度下仍然稳定；而在零下温度下，延展率可增加到45%而不会失去拉伸强度。相比之下，桑蚕丝的拉伸强度较低，约为0.6 GPa，并且对弱酸具有抗性，在大多数有机溶剂中不溶解，由于其紧凑的晶体结构，吸水性较低；然而，在长时间酸性条件下，其无定形区域容易发生水解降解。从结构上看，丝胶的重链由十二个交替的结晶和无定形区域组成，实现了可控的载荷传递和弹性恢复。

化学和酶改性通常用于调整丝胶的性能，同时保持其蛋白质骨架。使用H2O2–HRP系统的丙烯酸酶接枝通过可控的表面功能化提高了机械强度；而酪氨酸酶催化的壳聚糖接枝通过与丝胶上氧化的酪氨酸残基的共价键合，提高了强度和抗皱性。退化研究表明，无定形区域优先分解，而富含β-折叠的结晶区域保持稳定，允许机械响应随时间可预测地变化。碳二亚胺介导的接枝通过自交联和TyrP桥接结构进一步增强了丝胶的反应性和网络稳定性。这些特性使丝绸成为一种高韧性的天然蛋白质纤维，与木质纤维素纤维不同，适用于需要柔韧性、强度保持和分子稳定性的应用，而不是仅仅需要增强体积结构的应用。图10展示了丝绸纤维的分层结构。

4.1.2.3 羊毛

羊毛纤维由角蛋白组成，具有复杂的分层结构，如图11所示，不同特性的组分结合在一起以实现功能性能。单根羊毛纤维是一种异质生物材料，由三层主要部分组成：外层的角质层带有重叠的鳞片、承担主要载荷的皮层以及髓质，髓质可能是连续的、碎片的或缺失的，这取决于纤维类型。羊毛中的角蛋白由于紧密堆积的α-螺旋和β-折叠结构以及由二硫键和氢键交联，因此在水中几乎不溶、不溶于有机溶剂和稀酸或碱中，这些特性赋予了化学稳定性和抗降解性。羊毛纤维的直径因羊毛品种而异，范围从11.5到47微米，这决定了其适用于服装或室内纺织品的应用。羊毛中的氨基酸组成富含半胱氨酸、丝氨酸、谷氨酸和甘氨酸，通过分子间键合增强了强度和柔韧性。羊毛在重新湿润或膨胀过程中的尺寸变化有限，通常为1-2%，这归因于亚晶状纤维的抵抗力。其基于蛋白质的结构使羊毛能够吸收相当于干重的33%的水分而不会感觉潮湿，这一特性归因于无定形区域内的氢键；对于结晶度约为25%的纤维，仅无定形基质就可以吸收相当于干重的约45%的水分。羊毛仍然是纺织品中角蛋白纤维的主要来源，细羊毛用于制作衣物，较粗等级的羊毛用于地毯、装饰和绝缘材料。研究表明，羊毛作为建筑绝缘材料的导热性和绝缘性能可与矿物和岩石基绝缘材料媲美甚至更好。已经探索了表面改性方法来扩展羊毛的功能；使用氧气、氩气、氮气或空气的等离子体处理可以去除表面的脂肪酸层，改善了可湿性和粘合性，这通过SEM分析得到了证实。使用转谷氨酰胺的酶改性也已被证明可以增强拉伸强度，并通过在磷酸盐缓冲盐水和模拟胃液中的共价交联，提高了羊毛衍生角蛋白膜的稳定性。

4.1.2.4 人类头发

人类头发是一种丰富但常常被低估的不可生物降解的废弃物材料，最近作为生物复合材料和工程应用中的潜在增强纤维而受到关注。尽管全球大量丢弃，人类头发表现出有利的机械性能，包括表面拉伸强度在150到220 MPa之间，使其成为一种坚固且柔韧的天然纤维。人类头发的主要成分是角蛋白，这是一种由长链氨基酸组成的纤维状结构蛋白，形成了高分子量聚合物。这些角蛋白占纤维总质量的大约65-95%，负责其机械强度、柔韧性和化学耐受性。图12展示了人类头发纤维的关键结构组分，包括角质层、皮层和髓质，它们共同决定了其性能特征。

4.1.3 基于矿物的纤维

4.1.3.1 石棉

石棉是一种天然存在的硅酸盐矿物纤维，历史上以其纤维形态、高拉伸强度、化学惰性和对热和火的卓越抵抗力而闻名。它是基于矿物的天然纤维的经典例子，在20世纪被广泛用于工业应用。石棉纤维分为两类矿物：蛇纹石和角闪石。蛇纹石组主要由温石棉（白色石棉）组成，其特点是卷曲且柔韧的纤维；而角闪石组包括青石棉、铁石棉、透闪石、阳起石和actinolite，它们具有直的、针状的、更脆的形态。从化学上看，温石棉由水合镁硅酸盐（Mg3Si2O5(OH)4）组成；而角闪石石棉含有钙-镁-铁硅酸盐。纤维状习性源于硅酸盐四面体的结晶排列形成链状结构，允许纵向分裂成细纤维。石棉纤维具有非常高的拉伸强度，通常在700-3000 MPa范围内，热稳定性高达大约1000-1200°C，并且对大多数酸和碱具有很强的抵抗力。它们的密度根据矿物类型的不同，范围从2.2到2.7克/立方厘米不等。极高的长径比（通常超过100:1）使得它们能够在水泥复合材料、绝缘材料、刹车衬垫、屋顶板材、垫片和摩擦产品中有效传递应力。由于其灵活性和与水泥基体和聚合物基体的强结合能力，温石棉在全球消费量中占近90%。石棉的低导热性、高比表面积和多孔纤维网络使其在高温环境中表现出色的热绝缘和声绝缘性能。然而，由于与吸入纤维相关的严重呼吸系统疾病等已确立的健康风险，石棉的开采、加工和使用在许多地区已被禁止或受到严格监管。因此，研究转向了更安全的替代矿物纤维，如玄武岩纤维、硅灰石纤维和海泡石纤维，这些纤维旨在实现类似石棉的热稳定性和机械性能，同时不带来相关的健康危害。尽管石棉已被禁止，但它仍然是材料科学中的一个基准矿物纤维，作为评估和设计具有可比耐久性和耐热性的无毒无机增强材料的参考点。

4.1.3.2 硅灰石纤维

硅灰石是一种天然存在的钙硅酸盐矿物（CaSiO3），具有三斜晶系结构，通常在硅质石灰岩的变质过程中形成针状或纤维状晶体。它是一种无毒的天然纤维，以其纤维形态、优异的机械强度以及高化学和热稳定性而闻名。硅灰石纤维的直径通常在2到20微米之间，长度在10到100微米之间，长宽比根据精炼过程的不同而介于5:1到20:1之间。硅灰石的密度约为2.9克/立方厘米，抗拉强度为20.45兆帕，弯曲强度为38.02兆帕，其性能范围与用于技术纺织品中的传统无机纤维相当。

硅灰石纤维的纤维状结构显著增强了它们在织物复合材料和高性能织物结构中的增强效果。当将其掺入织物增强的聚合物基体或非织造技术纺织品中时，硅灰石可以提高尺寸稳定性、刚性及耐热性，同时保持低密度和高白色度。其较高的长宽比使得纤维基体内的应力传递更加高效，从而改善了织物的硬度、耐磨性以及在热和机械载荷下的耐久性。纤维颗粒还可以作为功能填料，用于涂层和层压纺织品中，它们能提高阻燃性、抗紫外线性和热屏蔽性能，而不会影响柔韧性或质地。在防护和工业纺织品中，硅灰石纤维常与玻璃纤维或芳纶纤维结合使用，以增强编织和非织造复合材料的隔热性能。由于其高耐火性和对熔融金属飞溅的抵抗性，硅灰石纤维也非常适合用于热防护服、焊接围裙和炉子隔热布。除了在性能纺织品中的应用外，硅灰石纤维还在环保织物涂层和特殊非织造品中作为矿物填料或增强材料进行探索，以降低可燃性并提高尺寸稳定性。其天然的白色和光滑表面使其能够在聚氨酯（PU）和硅胶等聚合物纺织品涂层中均匀分散，从而提高涂层的热稳定性和耐磨性。此外，通过硅烷偶联或酸蚀等表面改性处理，可以改善硅灰石与有机粘合剂和纺织树脂的粘结性，从而产生具有提升机械和热性能的复合材料。这些特性使得硅灰石成为开发先进、可持续技术纺织品和耐热织物系统中日益重要的功能性矿物纤维。

4.1.3.3 玄武岩纤维

玄武岩纤维（BF）是一种高性能的无机纤维，通过将天然玄武岩在大约1450-1500摄氏度的温度下熔化并连续挤出制成。由于其地质起源和基于硅酸盐的组成，玄武岩纤维被归类为矿物纤维，尽管在复合材料和可持续性研究中它经常与天然纤维一起讨论。与植物或动物来源的纤维不同，玄武岩纤维本质上是无机的，主要由SiO2、Al2O3、CaO、MgO和铁氧化物组成，还含有少量的Na2O、K2O和TiO2，这些成分使其与水泥基系统兼容。在原子层面上，玄武岩纤维由相互连接的硅氧四面体构成，形成了化学稳定且非纤维状的结构，这与导致石棉危险形态的链状晶体排列不同。玄武岩纤维的直径通常在10-25微米之间。

在机械性能上，玄武岩纤维表现出非常高的抗拉强度（约3000-4840兆帕）和弹性模量（70-95吉帕），超过了许多木质纤维素纤维（如大麻和剑麻）的性能，并接近E-玻璃纤维的性能。这些特性使玄武岩纤维能够显著提高基于水泥和聚合物复合材料的压缩、弯曲和抗拉性能，最佳的纤维含量能够增强强度、抗裂性和耐久性。将玄武岩纤维与天然纤维（如黄麻）结合使用的混合系统进一步展示了协同增强效果。在热性能方面，玄武岩纤维不可燃（LOI > 80%），在大约700摄氏度以下保持尺寸稳定，只有在超过1000摄氏度时才会分解，这使其远远优于在200到300摄氏度之间就会降解或燃烧的有机纤维。玄武岩纤维还对弱酸、盐和风化有良好的抵抗力；然而，在高碱性环境（如混凝土）中的有限耐碱性促使了耐碱玄武岩纤维的开发及其组分的改良。这些综合特性使得玄武岩纤维广泛应用于建筑（高性能混凝土、超高性能混凝土、再生混凝土）、汽车和航空航天复合材料、防火隔热材料、石膏和沥青系统以及轻质结构部件。重要的是，玄武岩纤维现在被认为是高温和隔热应用中比石棉更安全、更环保的替代品，提供了与石棉相似的热和机械性能，而没有石棉暴露带来的严重健康风险。

根据应用，天然纤维可以根据它们的最终用途进行分类，这些用途反映了它们的物理、机械、化学和美学特性。纤维在特定纺织品产品中的性能取决于诸如抗拉强度、细度、柔韧性、吸湿性、染色亲和力和舒适性等相关特性，如表5所示。每个类别使用不同类型的纤维和加工技术来满足特定的功能或美学要求。

4.2.1 承载和结构用天然纤维

结构和承重的天然纤维主要由植物韧皮纤维代表，如亚麻、大麻、黄麻和槿麻，这些纤维因其高的比刚度和强度而与其他天然纤维区分开来。这些纤维具有共同的细胞壁结构，其特点是高纤维素结晶度（通常>70%）和低微纤丝角度，导致纤维素微纤丝几乎平行于纤维轴线排列。与其他植物纤维相比，这种平行排列使得轴向应力传递更高效，这也是它们被归类为结构纤维的原因。

在这组纤维中，亚麻常作为参考韧皮纤维，因为它具有高抗拉强度和刚性，这来源于厚实的厚壁细胞内的高度结晶且排列良好的纤维素微纤丝。大麻也表现出相当的承载能力，结合了高抗拉强度和相对较高的杨氏模量，而槿麻和黄麻则分别提供了结构上有用的增强效果，但对加工条件和吸湿性更为敏感。在所有韧皮纤维中，次壁中的木质素作为一种天然粘合剂，填充在纤维素和半纤维素之间的空间，形成了类似钢筋混凝土的刚性、抗压结构，在中等湿热环境下有助于尺寸稳定性。

相比之下，大多数动物来源的纤维被排除在这个结构分类之外。尽管丝纤维表现出高韧性和β-折叠晶型的结晶性，但由于在150摄氏度以上的热稳定性限制、可扩展性和界面兼容性问题，它们的使用被限制在特定的或混合增强角色中，而不是主要的承重功能。基于角蛋白的纤维（如羊毛）也因为低刚度和高吸湿性而被排除在外。然而值得注意的是，动物生物系统依赖于细胞外基质中的胶原纤维来抵抗拉伸载荷，其结构作用类似于植物韧皮纤维中的纤维素微纤丝。矿物纤维，特别是玄武岩纤维，构成了另一类承重的天然纤维。与生物来源的纤维不同，玄武岩纤维是由熔融的玄武岩制成的，具有均匀的纤维形态，几乎不吸湿，并且由于强固的Si-O和金属-O键合网络而具有高轴向刚性。与韧皮纤维相比，玄武岩纤维提供了更好的热稳定性和化学稳定性、长期的尺寸可预测性以及抗蠕变性，使其在结构分类中与植物韧皮纤维并列，同时在耐久性和环境坚固性方面有所区别。

用于热和声学隔热的天然纤维根据其结构特征（如中空性、高孔隙率和低体积密度）进行分类，这些特征共同促进了空气的捕获并限制了热传导和声音传播。中空性指的是纤维内部的空腔，通过用空气替代-density高的固体材料来减少固相热传导。木棉纤维（Ceiba pentandra）是最明显的例子，其管状结构和大约806.1纳米的薄细胞壁以及超过85%的中空比例使得它具有极轻的重量和有效的隔热性能。类似的隔热效果 also 在丝瓜纤维中观察到，其海绵状的中空结构增强了热保持和声学阻尼；而在仿照北极熊毛发的纤维系统中，内部空气囊袋主导了隔热性能。

孔隙率进一步决定了这一分类，描述了单个纤维和纤维集合体内部生成的空隙空间。高度多孔的网络在相互连接的路径中捕获空气，抑制了对流热传导并通过粘性和热损失来耗散声音能量。在以木棉为基础的纤维材料中，随着孔隙率在低体积密度下的优化，吸音性能得到提升；而高孔隙率的木质纳米纤维素泡沫证明超低密度与有效的隔热性能密切相关。因此，低密度直接源于中空性和孔隙率的综合效应，广泛的空气空隙减少了可用于热传导的固体部分。这种空气捕获机制通过曲折的纤维网络得到了进一步加强，这些网络限制了气流并抑制了对流热传输。在植物纤维中，木棉由于其高中空性、细度和蜡涂层表面而特别适合用于隔热。椰纤维虽然中空度较低，但具有高度木质化的结构，形成了刚性的开放孔隙网络，有助于热声性能，并已与木棉结合用于可持续混凝土系统中以改善隔热和孔隙结构。尽管玉米壳纤维和木材纤维的中空度较低，但它们也具有多孔结构，适用于绝缘面板，并利用其细胞形态进行声音吸收和温度调节。海洋纤维（如Posidonia oceanica）也属于这一隔热类别，由于其松散的填充物体积密度范围在17到155千克/立方米之间，表明它们适合用于轻质隔热。

动物纤维基于分层的微观结构形成了一个平行的隔热类别。羊毛纤维通过自然卷曲和表面复杂性产生稳定的空气囊，从而在独立材料以及与甘蔗渣等农业残渣混合的混合系统中提供热绝缘和声学绝缘性能。来自家禽废料的羽毛纤维具有分枝结构，带有中空的羽枝和细羽，能够形成轻质、高孔隙度的组装体，有效捕获空气，同时为废物利用提供可持续的途径。尽管矿物纤维（如岩棉）并非生物衍生，但它们通过纤维骨架和充满空气的孔隙网络展现出类似的绝缘性能，这证明了将它们纳入基于绝缘性能的分类体系是合理的。

4.2.3 以舒适性和服装级为目标的天然纤维

用于舒适性和服装应用的天然纤维以其细度、柔韧性、水分管理、表面平滑度和皮肤相容性而著称，这些特性共同决定了织物的悬垂感、手感和热生理舒适度。纤维的细度通常以微米直径表示，起着核心作用，因为更细的纤维通常会产生更柔软、更灵活的纺织品。丝绸具有最细的天然纤维直径，通常为10到13微米，这解释了其独特的悬垂感和奢华的手感。美利奴羊毛因其贴合皮肤的舒适性而受到重视，其平均纤维直径通常低于21.5微米，而较粗的羊毛纤维（超过25微米）则可能导致刺痛感。棉纤维处于中间范围，通常为12到22微米，提供了柔软度和耐用性之间的平衡，而亚麻纤维则相对较粗，为12到50微米，除非经过适当处理，否则可能感觉僵硬。

柔韧性也与弯曲刚度密切相关，并受到纤维直径和模量的影响，进一步区分了服装级纤维。丝绸由于其β-折叠片状分子结构而表现出低弯曲阻力，从而具有平滑的悬垂感，而羊毛则从它的自然卷曲和表面鳞片中获得柔韧性和弹性。棉纤维的扭曲带状形态有助于其可塑性，而亚麻由于结晶度高和木质素含量高而 inherently 较硬，但可以通过酶处理和精梳等工艺变得适合用于服装。

4.2.3 以舒适性和服装级为目标的天然纤维

用于舒适性和服装应用的天然纤维根据细度、柔韧性、水分管理、表面平滑度和皮肤相容性进行分类，这些特性共同决定了织物的悬垂感、手感和热生理舒适度。纤维的细度通常以微米直径表示，起着核心作用，因为更细的纤维通常会产生更柔软、更灵活的纺织品。丝绸具有最细的天然纤维直径，通常为10到13微米，这解释了其独特的悬垂感和奢华的手感。美利奴羊毛因其接近皮肤的舒适性而受到重视，其平均纤维直径通常低于21.5微米，而较粗的羊毛纤维（超过25微米）则可能导致刺痛感。棉纤维处于中间范围，通常为12到22微米，提供了柔软度和耐用性之间的平衡，而亚麻纤维则相对较粗，为12到50微米，除非经过适当处理，否则可能感觉僵硬。

柔韧性也与弯曲刚度密切相关，并受到纤维直径和模量的影响，进一步区分了服装级纤维。丝绸由于其β-折叠片状分子结构而表现出低弯曲阻力，从而具有平滑的悬垂感，而羊毛则从其自然卷曲和表面鳞片中获得柔韧性和弹性。棉纤维的扭曲带状形态有助于其可塑性，而亚麻由于结晶度高和木质素含量高而本质上较硬，但可以通过酶处理和精梳等工艺变得适合用于服装。水分管理是另一个决定性标准，包括吸湿性、导湿性和蒸发效率。羊毛通过吸收高达其重量30%的湿气而表现出出色的动态水分调节能力，即使在潮湿条件下也能保持热舒适度。棉纤维显示出高吸湿性，约8%的吸湿率以及有效的毛细导湿性，而竹纤维常用于混纺中，可以增强织物的扩散和湿润面积。虽然丝绸在液体导湿性方面效果较差，但可以有效地传递湿气。许多植物纤维的亲水性有助于服装的舒适度，但在与疏水聚合物系统结合时可能需要进行化学改性。

柔软度和皮肤相容性进一步细化了这一分类。丝绸的表面摩擦系数非常低，大约为0.15，从而产生光滑凉爽的手感，而超细的美利奴羊毛则通过减少纤维直径和弯曲刚度来最小化刺痛感。棉纤维因其光滑的角质层和低刺激潜力而被广泛认为是对皮肤友好的，而再生纤维素纤维（如莱赛尔纤维和粘胶纤维）通过均匀的纤维形态提供了更好的柔软度。这种以舒适性为导向的分类与基于植物、动物或矿物的纤维分类不同。尽管纤维可以被广泛地归类为植物基、动物基或矿物基，但这些分类并不直接反映触觉或生理舒适度。例如，棉纤维和莱赛尔纤维都是纤维素基的，但在纤维取向和表面形态上有显著差异，导致不同的舒适性能，而木质纤维（如竹纤维、肯纳夫纤维和糖棕榈纤维）则表现出不同的微观结构，影响其纺织性能。因此，这一类别根据与舒适性相关的功能属性对纤维进行分组，而不是根据起源或承重能力。

4.2.4 功能性和保护性的天然纤维

保护性和耐高温的天然纤维的特点是在热负荷、火焰暴露和化学侵蚀环境中保持功能性能的能力。在这些材料中，矿物纤维（特别是玄武岩纤维）由于其无机硅酸盐成分而表现出最高级别的内在热稳定性和化学稳定性。玄武岩纤维具有低导热性，在大约800°C以下保持热稳定，并且熔点超过1000°C，同时不易燃，耐酸、碱和紫外线辐射。这些特性解释了它们在水泥复合材料、承受热循环的结构元件以及需要摩擦稳定性和高温耐久性的制动系统中的广泛应用。除了内在属性外，表面改性技术（如铝或二氧化锆涂层的磁控溅射）也被报道可以进一步提高对辐射热和接触热的抵抗力，同时保持玄武岩纤维本身的基本热稳定性和化学稳定性。

与矿物纤维相比，动物来源的纤维通过不同的物理化学机制实现热保护。基于角蛋白的纤维（如羊毛）由于其富含氮和硫的蛋白质结构而具有固有的阻燃性，这有助于在热暴露期间形成稳定的炭层并抑制火焰传播。然而，角蛋白纤维的温度耐受性和长期热耐久性仍低于玄武岩纤维，这限制了它们在不太严苛的热条件下的适用性。植物来源的纤维进一步扩展了这一进展，因为它们的内在热稳定性通常较低，但可以通过化学处理显著改善。例如，棉纤维的极限氧指数约为18%，在未经处理的状态下容易点燃。为了解决这一限制，已经通过化学接枝、螯合和基于含磷化合物、木质素的涂层以及纳米粒子系统的涂层引入了阻燃性能，这些处理赋予了持久的阻燃性以及其他辅助功能，如紫外线屏蔽和防水性。类似的策略也已经应用于其他木质纤维（如苎麻和莱赛尔纤维），使用基于磷的系统和生物衍生的层状组装来增强阻燃和抗菌性能。结合表面处理（如精梳）和其他方法（包括微波处理），这些改进提高了热稳定性、耐久性和与聚合物基质的兼容性，使植物纤维能够在复合材料系统中满足消防安全要求。

4.2.5 以吸附、过滤和分离为目标的天然纤维

用于吸附非极性液体的天然纤维的特点是具有大的中空腔体（通常大于10微米）、疏水表面化学性质和低内在壁孔隙率，这些特性共同使得通过毛细作用和表面吸附高效地吸收油类物质，同时流动阻力最小。木棉纤维（Ceiba pentandra）是这一组的代表性材料，其明显的中空管状结构和蜡质角质层赋予了高疏水性和亲油性，有助于有效的油类泄漏修复和油水分离。吸附能力取决于堆积密度和表面化学性质，未经处理的木棉纤维据报道可以吸附高达20.72克/克的油。表面改性（如硬脂酸钙或ZnO涂层）通过改变表面粗糙度和化学亲和力进一步提高了吸附效率和可重复使用性。其他天然中空纤维（包括沙漠玫瑰种子纤维）由于相似的形态也表现出类似的吸附行为。

以过滤为目标的纤维依赖于不同的结构特性，包括小的或塌陷的腔体（通常低于2微米）、高的表面亲水性和丰富的表面壁微孔隙率，这些特性有助于选择性地保留颗粒或分子。过滤性能受孔径分布和内表面积的控制，通常通过BET分析进行量化。基于纤维素的膜通过基于尺寸排除、电荷和极性的选择性屏障来体现这一行为，尽管膜污染仍然是一个关键限制。在这一背景下，涂有聚苯胺的改性木棉纤维表明表面化学改性可以将原本具有吸附功能的纤维转变为选择性过滤功能，而来自木棉和再生纤维素的碳气凝胶提供了适合油水过滤的控制孔隙率。

以分离为目标的纤维通过结合可控的孔径层次和可调的表面化学性质来实现亲和驱动的分割和选择性渗透。带有特定铵试剂的功能化纳米纤维已被用于从铑中选择性回收铱，突出显示了定制表面化学在分离过程中的作用。表面化学还决定了膜的抗污染能力和分离效率，如纳米过滤系统中的两性表面层所示。农业残渣根据加工方式表现出这些行为的不同谱系，富含木质素的原始纤维倾向于吸附，而经过碱氧化的纤维则暴露出介孔和表面电荷，支持过滤和分离。例如，用TiO2、氧化石墨烯或硬脂酸改性的芭蕉假茎和甘蔗纤维展示了通过组合形态和化学改性的增强原油吸收和油水分离性能。

5 天然纤维的提取和加工

天然纤维的提取涉及使用生物或机械方法将纤维材料从植物组织中分离出来。最常见的技术包括露水浸泡、水浸泡和机械提取，每种方法都有其特定的优点和局限性，具体取决于条件和纤维类型。表6对这些方法进行了简要比较。

5.1 化学提取方法

化学提取是分离植物茎和叶中纤维的最常用方法之一，特别是在需要快速高效地去除非纤维素材料时。化学浸渍，也称为表面活性剂浸泡，涉及使用加热的化学溶液来降解果胶和其他将纤维结合在植物组织中的粘合物质。该过程有助于将纤维束从木质或皮质材料中分离出来，产生更干净、更均匀的纤维。浸渍溶液通常包含氢氧化钾（KOH）、硫酸（H2SO4）、次氯酸钙（Ca(ClO)2）、碳酸钠（Na2CO3）或氢氧化钠（NaOH）等化学试剂。这些化学物质促进果胶和半纤维素物质的水解，当与表面活性剂结合时，有助于通过胶束和乳化机制去除非纤维素成分，如木质素、蜡和果胶。

在化学浸渍之前，收获的植物材料可以被研磨、粉碎或机械去壳，以增加表面积并改善处理过程中的化学渗透。处理条件（如温度、化学浓度和持续时间）对纤维质量至关重要。根据这些参数，浸渍过程可能持续几分钟到48小时。化学浸渍后，纤维需要用流动水彻底清洗，然后干燥和梳理以去除残留的化学物质和杂质。这一过程通常会产生高纯度的纤维，具有光滑的表面、均匀的质地和出色的粘附性能，适用于后续的纺丝、整理或复合材料增强。然而，这种方法的缺点包括高运营成本、过量化学物质暴露可能导致的纤维损伤以及废水处理造成的水污染，这促使了持续研究更可持续的替代方法。Nassar等人开发了一种新的多步骤化学提取技术，包括脱蜡、乙酰化和精梳，具有可控的反应时间和可选的微波辅助加热。这个连续过程有效地去除了蜡质和非晶态半纤维素，提高了纤维的结晶度，并增强了抗拉强度，从而生产出适合用于先进生物复合材料应用的富含纤维素的纤维。同样，Balasubramanian等人引入了一种改良的低浓度碱处理方法，仅使用2%的NaOH处理黄麻纤维，随后通过乙醇-醋酸中和。这种方法显著降低了木质素和半纤维素的含量，同时保持了纤维的完整性，使得表面更干净，并通过减少化学物质的使用改善了纤维间的结合。与传统的高碱处理方法相比，这种方法更加环保且成本更低，支持了天然纤维加工的可持续实践。

5.2 生物方法

5.2.1 水浸漂白

水浸漂白是一种最古老且最广泛使用的生物提取方法，用于从植物茎秆中分离纤维，特别是亚麻、黄麻、kenaf、大麻和苎麻之类的韧皮纤维。在此过程中，含纤维的植物被浸入水中3到35天，期间自然存在的微生物会分解将纤维与木质核心和表皮粘合的果胶和半纤维素。水浸漂白可以在流动的水体（如河流和溪流）中进行，也可以在静态的池塘或水池中进行，每隔几天更换一次水以维持细菌活性并防止水体停滞。漂白的时间长短主要取决于水温和微生物活性，较高的温度（约28-40°C）可以加速这一过程，使纤维在3-5天内分离出来。该过程主要涉及厌氧细菌的作用，其中Clostridium等微生物会分解将纤维粘合在一起的粘性物质，从而使纤维在干燥和梳理后容易分离。与机械或化学方法相比，水浸漂白的纤维具有更出色的细度、颜色、光泽和强度。然而，传统的水浸漂白方法有几个缺点，包括高耗水量、需要较大的浸泡面积，以及由于有机废物和发酵气体的释放而造成的环境污染。此外，该方法需要专门的干燥和处理设备，因此劳动强度高且成本较高。由于这些环境和经济上的挑战，许多地区（包括欧洲大部分地区）已经禁止或限制了工业规模的水浸漂白。

最近的创新旨在使水浸漂白更加可持续和资源高效。一种称为微池塘漂白的现代技术通过使用微生物接种和水循环系统，将用水量减少到传统方法的六分之一。这种方法结合了水产养殖和作物生产，利用漂白残渣作为营养来源，同时将环境排放降到最低。Hossain等人证明，可以使用自来水、池塘水和运河水等替代水源有效地进行kenaf纤维的漂白，生产出具有不同纤维素和木质素含量的高质量纤维。他们的研究结果表明，不需要大量的淡水就能保持纤维质量，提供了一种更加灵活和可持续的漂白方法。同样，Harsányi等人开发了一种用于亚麻纤维提取的控制性厌氧水浸漂白（AWR）过程。该系统在严格的厌氧条件下在封闭的生物反应器中运行，无需添加化学物质或酶。AWR过程不仅生产出高纯度的富含纤维素的纤维，还产生了有价值的副产品，如有机酸（尤其是乙酸和丁酸）、富氢气体和生物甲烷。

5.2.2 露水漂白

露水漂白被认为是从植物茎秆中分离纤维的最古老和最简单的生物方法之一，至今仍是全球使用最广泛的漂白技术之一。在此过程中，收获的亚麻、大麻和黄麻等产纤维作物被均匀地铺开在开阔的场地上，自然的水分、温度和微生物活性有助于纤维的分离。该过程通常需要3到6周的时间，具体取决于湿度、降雨量和气温等环境条件。这些因素影响微生物（主要是真菌和细菌）的生长和代谢活动，它们逐渐分解将纤维与植物皮层和木质组织粘合的果胶和半纤维素。在露水漂白过程中，作物会经历交替的湿润和干燥条件，从而促进如Clostridium、Bacillus、Pseudomonas和Aspergillus等好氧微生物的活动。这些微生物会产生果胶分解酶和半纤维素分解酶，分解非纤维素成分，使纤维更容易从木质部中分离出来。然而，露水漂白的成功严重依赖于环境控制和细致的监控。如果 timing 不当，可能会导致过度漂白，即微生物活动过度导致纤维素部分降解和纤维强度损失；或者漂白不足，即降解不完全，使得纤维难以提取和加工。因此，持续观察天气条件、定期翻动植物以确保均匀暴露以及优化漂白时间对于保证均匀的漂白效果和保持纤维质量至关重要。尽管露水漂白方法简单且成本低廉，但它存在一些固有的局限性。由于其依赖于天气条件，因此对于温度或湿度不稳定的地区来说不可预测。此外，通过露水漂白获得的纤维通常颜色较深，细度和强度也较低，这主要是由于长时间接触土壤和纤维表面部分降解所致。尽管如此，该方法在小型和可持续的纤维生产中仍然受欢迎，因为它所需的能量、水和化学投入最少，符合环保农业实践。最近的研究通过整合微生物监测和生物技术工具来改进露水漂白的控制和效率。Orm等人引入了一种基于微生物酶的监测框架，用于大麻的露水漂白，利用高通量测序将微生物分类和酶谱与漂白阶段相关联。这项研究确定了Pseudomonas、Sphingomonas和Cladosporium作为漂白进程的关键微生物指标，从而更好地预测和调节漂白结果。这些生物技术方法增强了人们对田间漂白环境中微生物演替和酶活性的理解，为更稳定的纤维质量和更短的处理时间铺平了道路。

5.2.3 酶法漂白

酶法漂白是一种先进的生物技术纤维提取方法，它利用特定的酶来分解将纤维与植物组织粘合的果胶和半纤维素，从而促进纤维的分离。与依赖不受控制的微生物活动或强烈化学物质的传统漂白方法不同，酶法漂白具有更高的精确度、均匀性和纤维质量。该过程在收获后很快开始，此时植物用机械滚筒轻微压碎或压皱，以打破外层表皮并增加酶渗透到韧皮组织中的程度。准备好的植物材料随后在包含果胶分解酶溶液的受控罐环境中进行培养，通常还会添加木聚糖酶或甘露聚糖酶，培养条件下的温度和pH值被优化以支持最大的酶活性。漂白时间通常在2到24小时之间，具体取决于酶的浓度、植物类型和温度条件。在此过程中使用的酶，如果胶酶、多聚半乳糖醛酸酶、木聚糖酶和甘露聚糖酶，专门针对果胶和半纤维素，分解非纤维素粘合物质，同时保留赋予纤维强度的纤维素微纤维。因此，酶法漂白产生的纤维质量高，表面光滑，结晶度高，机械性能优越。此外，受控的酶作用相比化学或水浸漂白方法，减少了纤维损伤和颜色变化。然而，酶法漂白的主要缺点是运营成本较高，这归因于酶的生产和纯化，以及需要废水处理和专用设备，这限制了其工业规模的应用。

最近的研究探索了微生物联合体和基于酶的生物增强系统，以使酶法漂白更加高效和成本效益。Ventorino等人开发了一种基于微生物联合体的大麻纤维漂白方法，使用了表现出协同酶活性的Bacillus、Paenibacillus和Pseudomonas菌株。该联合体显示出高果胶分解活性，同时保持了纤维素的完整性，在五天内实现了有效的纤维分离，并生产出了细度和抗拉性能得到改善的纤维。同样，Huang等人引入了一种基于真菌联合体的剑麻纤维生物增强漂白系统，由Aspergillus micronesiensis、Penicillium citrinum和Cladosporium物种组成。这种组合产生了高水平的果胶酶、木聚糖酶和甘露聚糖酶，提高了脱胶效率并增强了纤维素的纯度，同时不会导致纤维素降解。该方法不仅提高了漂白速度，还生产出了清洁度、白度和粘合特性更好的纤维，适合纺织和复合材料的应用。

5.3 混合提取方法

5.3.1 微波辅助漂白

微波辅助漂白是一种现代且节能的技术，通过使用微波辐射来加速从木质纤维素植物材料中分离纤维的过程。与依赖缓慢微生物或化学降解的传统漂白方法不同，这种方法利用介电加热，其中极性分子（主要是水）吸收微波能量并通过分子振动和摩擦将其转化为热量。微波产生的快速均匀加热会破坏中层薄层，从而削弱将纤维束与周围组织粘合的果胶和半纤维素键。这一过程使得纤维束能够快速从植物基质中分离出来，与传统方法（如露水或水浸漂白）相比大大减少了漂白时间。微波辅助漂白的主要优势在于能够精确控制过程参数，包括温度、暴露时间和水分含量。受控的微波能量确保整个植物材料均匀加热，从而保证纤维质量和颜色的一致性，同时最小化纤维损伤。该过程还显著减少了微生物污染、用水量和化学物质的使用，使其成为比传统漂白方法更清洁和可持续的替代方案。此外，微波处理可以与温和的化学或酶预处理结合使用，提高果胶和半纤维素的降解效率，同时保持纤维素的完整性。微波与碱性或酶溶液的结合已被证明可以生产出表面更光滑、纯度更高、机械性能更优的纤维，适合高性能纺织和复合材料的应用。除了环境优势外，微波辅助漂白还有效消除了生物和水基漂白技术常见的异味排放、废水产生和长时间发酵等问题。然而，这项技术也存在一些局限性。工业规模微波设备的初始资本投入相对较高，而且过程需要仔细优化以避免局部过热，这可能导致纤维素的热降解和纤维强度降低。必须精确控制植物水分含量、纤维密度和辐射功率等因素以实现最佳效果。尽管存在这些挑战，微波辅助漂白作为一种有前景的、环保且时间高效的纤维提取技术正在崛起。它结合了速度、可持续性和产品质量的优点，成为现代天然纤维加工现代化的宝贵创新，为纺织行业提供了传统漂白方法的先进替代方案。

5.3.2 Duralin工艺

Duralin工艺是由Ceres B.V.公司开发的一种热化学方法，旨在提高亚麻和大麻等韧皮纤维的尺寸稳定性和耐环境性。该工艺包括三个主要阶段：热解、干燥和固化。在第一阶段，植物茎秆在高压蒸汽下于160°C的 autoclave 中处理30分钟，使木质纤维素结构软化并部分分解木质素和半纤维素。然后对茎秆进行 oven-drying 以去除水分，接着在150°C下固化2小时。在固化过程中，分解的木质素和半纤维素成分形成低分子量的醛类和酚类化合物，这些化合物聚合成一种天然树脂，将纤维素微纤维结合在一起，提高了抗水性和强度。处理后，通过压碎、去壳或打麻等方式提取纤维，得到物理和表面性能得到改善的清洁、高质的韧皮纤维，适合用于复合材料和技术纺织品的应用。Duralin工艺消除了传统漂白的需求，生产出强度高、尺寸稳定且憎水的纤维，是一种可持续高效的先进天然纤维生产方法。

5.4 新兴方法

现代天然纤维加工的研究催生了多种创新提取技术，旨在提高效率、减少环境影响并提升纤维质量。其中，蒸汽爆炸、超声波漂白和露水漂白因其对纤维分离的有效性、缩短的处理时间和潜在的工业 scalability 而备受关注。蒸汽爆炸方法（STEX）是一种热机械纤维提取工艺，利用高压蒸汽、高温和快速减压来分离木质纤维素植物材料中的纤维。在这种技术中，干燥的植物茎秆暴露在高压饱和蒸汽中，蒸汽渗透植物组织并软化木质素和半纤维素成分。在这一过程之后，会突然释放压力，产生强烈的热机械剪切力，这些力会破坏纤维之间的中间层——即粘合层，从而实现高效的纤维分离。322 经过处理的纤维具有细腻的质地、光滑的表面，并且其机械性能与棉纤维相当，这使得这种方法非常适合用于纺织级别的天然纤维。除了能够生产高质量的纤维外，蒸汽爆炸法所需的化学物质和水的用量也较少，因此相比传统的浸渍技术，它是一种更环保、更快捷的替代方案。另一种创新技术是超声浸渍法，它结合了声学空化效应和温和的化学处理来加速纤维提取过程。在这一过程中，经过清洗和压碎的植物茎秆被浸入含有低浓度碱和表面活性剂的热水中（大约70°C，持续24小时），然后暴露在高强度的超声波（1千瓦，40千赫）下。344 超声波振动产生的微小空化气泡在纤维表面附近破裂，形成局部的冲击波和微喷射流，这些作用力会破坏粘合纤维的果胶基质。与传统的水浸渍方法相比，这种方法使得纤维分离更快，表面更加光滑，均匀性也得到了提升。尽管这种方法显著减少了浸渍时间，提高了纤维的细度、清洁度以及机械强度，但由于设备成本和高能耗，其大规模工业应用仍然受到限制。345 不过，超声辅助浸渍法代表了一种有前景的绿色纤维提取技术。

立式浸渍法是露水浸渍法的改进版本，旨在解决后者的一些局限性。在一种变体中，纤维作物在收获前会在田间用草甘膦（N-膦甲基甘氨酸）进行处理，这种除草剂通过削弱植物组织来促进纤维分离。322 与传统露水浸渍法相比，这种方法生产的纤维具有更好的机械性能。346 另一种变体则采用热处理方法，即将站立的植物下部加热至约100°C，然后晾干数天。323 这种方法减少了对天气条件的依赖性，并加快了浸渍过程。虽然立式浸渍法降低了纤维因雨水或长时间暴露在田间而受损的风险，但由于需要控制系统化的加热设备，因此运营成本较高。347 此外，使用含草甘膦的化学物质会引发环境和健康问题，包括土壤毒性和对微生物及水生生态系统的不利影响，348 因此在这种可持续的纤维生产中并不受青睐。

6 天然纤维的改性

6.1 碱处理

碱处理（也称为碱化或精梳处理）是最简单、最经济且最有效的改善天然纤维与聚合物基体之间粘合性和界面结合性的方法之一。349 在这一过程中，纤维被氢氧化钠（NaOH）水性溶液处理，这种溶液会改变纤维素的分子结构，增强其与基体的机械互锁性。处理过程会增加纤维的碎裂和分散，改变结晶纤维素的方向，并形成无定形区域，使水分子能够渗透并分离纤维素微纤维。350 碱与纤维素中的羟基（–OH）反应，形成纤维-O–Na键，同时减少亲水基团的数量，从而提高纤维的耐湿性。351 该过程还能去除半纤维素、木质素、果胶、蜡和油脂，使纤维表面更加清洁、均匀，从而改善纤维与基体之间的应力传递。352 如果碱的浓度得到优化，处理后纤维的直径会减小，有效表面积和长宽比会增加，粘合强度也会提高；然而，过高的碱浓度会导致过度脱木质化和纤维损伤。Brígida等人353 发现，碱处理是暴露天然纤维中纤维素的最佳技术，并且能够在保持纤维亲水特性的同时提高其热稳定性。图14显示了未经处理和经过6%碱处理的肯纳夫纤维的纵截面SEM显微图像，可以明显看到表面杂质被去除，纤维表面更加光滑、清洁。

6.2 硅烷处理

硅烷处理是一种广泛使用的化学表面改性技术，旨在通过在界面形成稳定的共价键来改善天然纤维与聚合物基体之间的粘合性。在这种方法中，硅烷偶联剂被涂覆在纤维表面上，覆盖微孔和不规则部位，从而在亲水纤维和疏水基体之间建立分子桥架。355 在初始阶段，硅烷化合物中的烷氧基在潮湿条件下水解生成硅醇。这些硅醇随后与纤维表面的羟基（–OH）反应，形成Si–O–纤维素键，而硅烷分子的另一端则与基体的功能团发生缩合，生成硅氧烷（Si–O–Si）桥。356 这种缩合反应在界面处建立了分子连续性，提高了两相之间的化学兼容性和载荷传递能力。硅烷的疏水碳氢链进一步减少了纤维的膨胀和吸湿性，增强了复合材料的尺寸稳定性。经过硅烷处理的纤维比仅经过碱处理的纤维具有更高的拉伸强度和界面粘合性。357

6.3 乙酰化处理

乙酰化处理是一种化学改性工艺，通过在纤维的细胞结构中引入乙酰基（–COCH3）来提高其尺寸稳定性、耐湿性和界面粘合性。358 在这种方法中，首先将纤维浸泡在醋酸中，然后在酸性催化剂存在下用醋酸酐处理1-3小时，因为单独使用醋酸和醋酸酐无法有效与纤维表面反应。13 在处理过程中，纤维素中的羟基（–OH）与羧基或酸酐基团发生酯化反应，从而在纤维结构内形成酯键。359 乙酰基取代羟基会减少纤维的亲水位点，降低其吸湿和膨胀的能力。乙酰化处理还能去除表面蜡质和角质层，使纤维表面更加光滑、均匀，与疏水聚合物基体的相容性更好。根据Tserki等人的研究，360 亚麻和大麻纤维的乙酰化显著降低了吸湿性，去除了非结晶成分，并由于更好的界面粘合性提高了应力传递效率。Zafeiropoulos等人361 进一步指出，乙酰化改变了亚麻纤维的整体和表面性质，从而增强了复合材料的尺寸稳定性和机械性能。图15展示了未经处理和经过18%乙酰化处理的亚麻纤维的表面显微图像，可以看出处理后的纤维形态更加清洁、光滑。

6.4 过氧化物处理

过氧化物处理是一种化学表面改性技术，通过在纤维表面引入活性自由基来提高其粘合性、热稳定性和耐湿性。在这种方法中，通常使用过氧化氢或有机过氧化物等化合物进行接枝反应，将聚乙烯或其他偶联剂固定在纤维表面上。363 过氧化物分子被激活后分解形成自由基，这些自由基与纤维中的羟基（–OH）以及聚合物基体的功能团发生反应，从而在纤维-基体界面形成强共价键。131 这种反应促进了纤维-基体之间的强共价结合，改善了应力传递和亲水天然纤维与疏水聚合物基体之间的兼容性。131 过氧化物处理还会减少纤维中的羟基数量，从而降低纤维的吸湿能力，提高其尺寸和热稳定性。364 处理后的纤维表面更加光滑，孔隙率降低，有助于提高复合材料的机械性能。图16显示了未经处理和经过过氧化物处理的亚麻纤维的表面显微图像，可以清楚地看到表面杂质的去除以及治疗后表面变得更清洁、更均匀的现象。

6.5 电晕处理

电晕处理是一种物理表面改性方法，通过氧化作用增加天然纤维的表面能，改善亲水纤维与疏水基体之间的兼容性。366 该过程使用两个铝电极，电极之间由石英介电隔板分隔，通过空气间隙施加电放电来处理纤维表面。367 由于纤维主要放置在电极表面，因此只有一侧受到处理；但在复合材料中，整个侧面都参与了增强作用。368 如图17所示的SEM图像显示，较长的处理时间会使纤维表面变得粗糙，从而增强纤维与基体之间的机械互锁。处理会激活聚合物链上的表面位点，促进氧化和蚀刻，使大麻和芒草-聚丙烯复合材料的杨氏模量和拉伸强度提高达30%，而聚乳酸基复合材料则提高了约20%。369 尽管电晕处理能有效改变纤维表面，但潜在的纤维损伤和界面键合的长期稳定性仍需进一步研究。图17展示了经过电晕处理的亚麻纤维的SEM图像：(a) 未经处理；(b) 处理15分钟后；(c) 处理30分钟后；(d) 处理40分钟后。

7 环境影响和可持续性分析

天然纤维的加工和改性过程中的能源消耗是环境影响的主要因素，其强度取决于处理类型、处理时间和产生的废液量。为了评估每单位处理纤维所需的能量，我们保持纤维来源和能源来源不变。假设在120°C下进行1小时的烤箱干燥过程消耗1.1千瓦的能源，而使用标准搅拌器进行1小时的实验室混合消耗216瓦的能源。370 如硅烷和乙酰化这样的化学处理通常包括预处理步骤，化学浓度范围为1%至5%。碱处理和乙酰化处理通常需要约2小时，而硅烷处理由于硅烷与纤维表面之间的水解和缩合反应较慢，因此需要长达12小时。马来酸酯化处理发生在复合材料制造过程中，因此不需要额外的处理时间或废液处理。如图18所示，总能源消耗包括混合、清洗和干燥过程中的能量以及与废液管理相关的能量，后者随废液体积的增加而增加。370 碱处理包括2小时的加工时间和6小时的120°C干燥，消耗大约10千瓦的能源；而乙酰化处理由于多次处理和干燥步骤，需要约17.5千瓦的能源。由于在60°C下长时间混合，硅烷处理的能源需求更高，如果进行预处理，则能源需求还会进一步增加。370

图18展示了不同化学处理每单位天然纤维的能源消耗情况。化学改性过程中的高能源需求直接与负责表面功能化和副产物形成的反应机制相关：

- 碱处理（精梳化）：
Cell–OH + NaOH → Cell–O? Na+ + H2O

- 乙酰化：
Cell–OH + (CH3CO)2O → Cell–OCOCH3 + CH3COOH

- 硅烷处理（水解和缩合）：
R–Si(OR′)3 + 3H2O → R–Si(OH)3 + 3R′OH
Cell–OH + R–Si(OH)3 → Cell–O–Si–R + H2O

这些反应解释了图18中观察到的能源需求增加现象，因为碱处理和乙酰化处理会产生大量废水，需要反复清洗和干燥；而硅烷处理则需要长时间的热活化以完成纤维表面的水解和缩合。相比之下，马来酸酯化处理是在熔融加工过程中进行原位自由基接枝，因此避免了额外的溶剂使用和后续干燥，从而降低了每单位纤维的净能源输入。除了加工能源外，天然纤维的生产和利用还与社会经济可持续性密切相关，特别是在依赖这些材料为生计和当地产业提供支持的纤维生产地区。天然纤维具有低成本的生产、广泛的可用性、低密度、良好的机械性能、热绝缘和声绝缘特性，在加工过程中也降低了健康风险，这些特点支持了它们在纺织品和复合材料应用中的持续使用。在印度、孟加拉国和肯尼亚等国家，棉花、黄麻、大麻、剑麻及相关纤维的种植和加工为数百万农村工人提供了就业机会，并对出口导向型经济做出了重要贡献。在印度尼西亚，诸如罗布联盟（KORI）和天然纤维委员会（DSI）等倡议推动了包括剑麻、肯纳夫、竹子、菠萝叶、剑麻、棉花和罗布在内的纤维的种植、提取、纺纱和编织等综合系统的发展，减少了对外部棉花进口的依赖，并加强了国内生产链。此外，人们越来越多地利用农业废弃物（如菠萝叶、香蕉茎、稻草和棕榈废料）作为循环生产中的替代纤维来源。东南亚地区的社区-based提取单位和小型企业采用传统的浸泡和脱皮方法生产用于手工艺品、服装和家用纺织品的纤维，尽管产量较低（例如每100公斤新鲜菠萝叶只能产出2.5公斤纤维），但仍为农民提供了额外收入。

在工业层面，这些社会经济效益与环境保护需求相得益彰，因为天然纤维越来越多地被应用于生物基纺织品和纤维增强复合材料中，用于汽车内饰、家具和保护性产品，为合成纤维提供了轻量化且成本效益更高的替代品。政府的激励措施和国家研究计划通过促进学术界、工业界和农业社区之间的合作，以及推广来自农业废弃物的生态包装和生物纺织品，进一步支持了这些发展。采用循环经济实践，包括纤维废物的再利用、回收和升级利用，提高了资源利用效率，并在价值链中减少了材料损失。

尽管有这些优势，纺织和时尚行业仍因资源密集型使用、能源消耗和废物产生而持续对环境造成压力。羊毛、棉花和皮革等天然纤维的生产会导致水污染、土地退化和温室气体排放，尤其是甲烷的排放，其全球变暖潜力远高于二氧化碳。甲烷排放主要来源于与羊毛生产相关的牲畜，由于甲烷在大气中的半衰期较短，因此减少甲烷排放可以迅速缓解气候变化。通过增加回收羊毛的使用、从动物皮革转向下一代皮革、采用可再生电力、电气化加工环节和使用低碳运输燃料等策略，可以大幅减少排放。如果完全从原生羊毛转向回收羊毛，并将动物皮革的使用比例降低80%，到2030年可以实现近30%的甲烷减排目标。一些组织（如Collective Fashion Justice）帮助品牌量化甲烷足迹并确定减排路径。

尽管天然纤维因其可生物降解性、可再生性和比合成替代品更低的环境足迹而广受认可，但多个挑战仍阻碍了它们在时尚行业的大规模应用。其中一个关键挑战是它们对农业和气候条件的依赖性，这可能导致纤维质量和产量的波动。某些天然纤维（如棉花）的种植需要大量的水和土地资源，且通常涉及农药和化肥的使用，这些都会导致土壤退化和水污染。同样，动物纤维（如羊毛、皮革和丝绸）虽然可再生，但会产生高碳排放，并引发关于动物福利的伦理问题。此外，天然纤维可能缺乏某些合成材料的性能优势，例如弹性、耐湿性和延长使用寿命。天然纤维的加工方法也往往效率较低，其机械性能会因纤维类型、生长条件和提取技术等因素而有所不同。

尽管存在这些挑战，天然纤维为纺织和时尚行业的可持续发展和创新提供了重大机遇。它们的可生物降解性和可再生性使它们成为开发减少环境污染的循环和环保生产模式的理想选择。使用本地来源的原材料（如大麻、亚麻、黄麻和肯纳夫）不仅减少了与运输相关的排放，还支持了区域经济，并通过碳封存和重金属吸收促进了土壤再生。此外，纤维加工技术的进步（如酶处理、与弹性体的混合和环保涂层）正在改善天然纤维的机械性能和舒适性，使它们能够更有效地与合成材料竞争。随着可持续性成为现代企业的核心战略重点，时尚行业有机会利用天然纤维来减少自身的生态足迹，同时满足消费者对道德、耐用和环保产品的需求。通过持续的创新、教育和政策支持，天然纤维可以在将时尚行业转变为更加可持续和有韧性的全球产业中发挥关键作用。

本综述表明，天然纤维不应被视为单一的可持续解决方案，而应视为一组多样化的材料，其性能和环境影响取决于特定的来源、结构和加工途径。植物基纤维（如棉花、黄麻、大麻、亚麻、竹子和木棉）在纤维素结晶度、木质素含量和内腔形态上存在广泛差异，这些因素决定了它们的机械强度、吸湿响应和热行为。动物源性纤维（包括羊毛、丝绸、羽毛纤维和人类头发）含有蛋白质成分，其中的角蛋白和丝素结构赋予了弹性、绝缘性和韧性，但也带来了热稳定性和加工能耗方面的限制。与无机纤维的比较表明，无机结构具有更好的热抵抗性，但也带来了健康和可持续性方面的关键约束，这凸显了需要根据具体应用选择纤维而不是笼统地进行可持续性评估。分析还显示，化学改性对于提高兼容性和性能至关重要，但这代表了功能提升与环境负担之间的关键权衡。碱处理、乙酰化、硅烷处理和马来酸处理通过不同的化学途径改变纤维表面化学和界面行为，但它们在能源需求、处理时间和废液产生方面存在显著差异。能源评估表明，尽管某些处理方法（特别是基于硅烷的处理）效果显著，但长期处理对环境总影响的贡献较大，这强调了需要综合考虑修改策略而不仅仅是机械性能。从可持续性的角度来看，天然纤维的环境效益与地区的可用性、农业实践以及是否使用废弃物密切相关。利用菠萝叶、香蕉茎、稻草和棕榈废料具有明显优势，因为它们可以减少废物产生并支持农村经济，但这些好处可能会因能源密集型加工或低效的废液管理而减弱。动物基纤维进一步说明了可持续性评估的复杂性，因为在提升耐用性和绝缘性能的同时，必须平衡排放和土地使用的影响。总体而言，本综述将纤维结构、化学改性、加工能源和环境影响整合到一个统一的框架中，指出了水分敏感性、界面不相容性、处理相关能源成本和供应变异性等关键限制。通过采用低能耗的化学策略、针对具体应用的纤维选择以及提高加工效率，对于将天然纤维的可持续潜力转化为可扩展的纺织品和复合材料应用至关重要。

作者贡献：

- Sayam Sayam：概念化、方法论、资源、软件、监督、验证、可视化、初稿编写以及修订和编辑。

利益冲突：

无利益冲突。

数据可用性：

本综述不包含任何原始数据。所有数据均来自手稿。

致谢：

本研究未获得外部资助。不过，作者使用了Grammarly软件来提高手稿的语法准确性。

参考文献：