综述：从植物到性能：基于生物聚合物的纤维增强可持续方法

《Coatings》：From Plants to Performance: A Sustainable Approach to Fiber Reinforcement Using Biopolymers Karine Sayuri Lima Miki, Ytaiara Lima-Pereira, Nelícia Nunes de Souza Muniz, Willian Hermogenes Ferreira, Orquidea Vasconcelos dos Santos and Barbara Elisabeth Teixeira-Costa

　　

本综述重点介绍了植物纤维增强生物聚合物复合材料在可持续提取、生产和应用方面的最新进展。该综述主要关注这些材料的性能——机械性能、热性能和界面性能——并探讨了纤维类型、提取方法和表面处理（如酶解沤麻、深共晶溶剂（DESs）、蒸汽爆破）等因素如何影响纤维形态及其与聚合物基体的粘合。研究人员还讨论了选择和改性生物聚合物基体（如聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA））的策略，以提高相容性、可回收性和长期性能，并解决阻燃性和环境影响等挑战。特别关注纤维素表面改性，该改性可改善润湿性和界面粘附力，同时由于纤维素的高结晶度和强氢键作用，强调了传统化学处理的替代方案。尽管在表面处理和制造方面取得了进展，但仍然存在湿度敏感性、加工可重复性和标准化等持续挑战。未来的研究应优先考虑针对应用定制的提取、可扩展的环保改性和标准化测试，以优化耐久性和循环经济一致性。这些纤维增强生物聚合物复合材料为无化石高性能材料提供了一条可行路径。总体而言，本综述提供了一个连接可持续性与工业适用性的全面视角，为开发高性能环保复合材料提供了实用指导。

1. 引言

全球对可持续材料的需求日益增长，推动了基于生物聚合物基体并以天然植物纤维增强的复合材料的发展。天然纤维源自丰富的可再生资源，为传统复合材料中使用的合成纤维提供了环保且有效的替代方案，尤其是在建筑和工程应用中。将天然纤维整合到生物聚合物基体中，不仅减少了传统复合材料的环境足迹，还影响了两者的固有机械性能、热性能和可生物降解性能。植物纤维（如大麻、亚麻、黄麻、棉花、马利筋、龙舌兰、竹子、洋麻等）因其高比强度、可生物降解性和生长过程中的碳封存能力而备受重视，这些特性共同有助于降低其整个生命周期的温室气体排放。尽管植物纤维在生物聚合物基体中的掺入已被广泛研究，但大多数现有研究独立地处理纤维性能和基体特性。因此，纤维处理、混合增强策略和基体选择对复合材料整体性能的综合影响仍未得到充分探索。本综述旨在通过批判性地评估纤维增强生物聚合物复合材料的最新进展，特别是界面改性技术、机械性能改进和环保策略，来填补这一空白。生物聚合物，包括聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）和其他可生物降解聚合物，为掺入这些纤维提供了多功能且环保的基体。与石油基聚合物相关的环境问题，使得纤维增强生物聚合物复合材料对工程和建筑相关应用以及需要机械完整性和可持续性的特定汽车和消费品尤为具有吸引力。材料表征、混合增强策略和加工技术（如改进的挤出和共混方法）的最新进展，提高了纤维增强生物聚合物复合材料的性能潜力。这些发展支持了此类材料在结构性和半结构性应用中的使用，与全球可持续发展目标和循环经济原则相一致。在此背景下，本综述重点关注植物源纤维在先进生物聚合物复合材料中的应用，重点涉及界面改性、机械性能以及与工程和建筑应用相关的可持续设计策略。

2. 生物聚合物与天然纤维

生物聚合物是从可再生生物源衍生或通过生物过程生产的聚合物材料。在复合材料系统中，生物聚合物构成主要组分并作为连续基体相。相比之下，天然纤维是主要从植物或动物来源获得的纤维状材料。在复合材料中，天然纤维代表分散相，并被掺入生物聚合物基体中，通过增强机械和热性能而起到增强作用。不同来源的纤维具有不同的特性和优势。黄麻、大麻、洋麻和剑麻是天然纤维的主要类型，它们主要因其高纤维产量而种植。生物聚合物是由活生物体产生的或由可再生单体合成的大分子。它们包括多糖（如纤维素、淀粉和甲壳素）、聚酯（如聚乳酸（PLA）和聚羟基脂肪酸酯（PHA））以及蛋白质（如胶原蛋白和明胶）。尽管纤维素和天然橡胶等生物衍生材料已被使用了几个世纪，但由于对可持续性和替代化石基聚合物的日益关注，对生物聚合物的兴趣已经加剧。目前，生物聚合物广泛应用于可生物降解包装、农业、组织工程、控释药物递送和其他新兴应用。天然生物聚合物因其固有的机械性能和可生物降解性，对复合材料的结构性能做出了重要贡献。分子结构，通常以强而刚性的链状结构和化学改性的能力为特征，使得能够配制出在强度、韧性和环境可持续性之间达到理想平衡的复合材料。当用天然植物纤维增强时，生物聚合物提供增强的载荷传递和改进的机械稳定性，使其成为需要高性能和环保性的结构性应用的候选材料。此外，交联和化学改性技术的进步扩展了生物聚合物满足特定机械要求的潜力，确保其在工程和建筑领域作为可行的可持续替代品的持续发展。它们的性能直接取决于其化学结构、化学键、结晶度和立体化学。目前，聚乳酸（PLA）、PHA、热塑性淀粉（TPS）、甲壳素/壳聚糖和纤维素衍生物是研究最多和应用最广的生物聚合物。PLA因其在传统模塑和3D打印技术中的可加工性而脱颖而出，此外还具有良好的机械性能和透明度，广泛用于包装和增材制造。PHA由微生物产生，具有优异的可生物降解性和生物相容性，使其在医疗应用（如缝合线和药物递送系统）中特别有前景。TPS因其来源于丰富且低成本的原料（如玉米和木薯）而具有吸引力，尽管需要改性以克服机械和水稳定性方面的限制。甲壳素和壳聚糖以其抗菌性能和成膜能力而闻名，扩展了其在生物医学和活性包装领域的应用。另一种广泛使用的生物聚合物是纤维素衍生物，如醋酸纤维素和纳米纤维素，它们具有高刚度和增强能力，在先进纸张和功能性生物复合材料方面引起了越来越多的兴趣。尽管这些材料具有多功能性，但生物聚合物基体的选择需要对刚性、韧性、可加工性和成本之间的权衡进行批判性评估。例如，虽然PLA提供了与聚苯乙烯相当的高刚度和优异可加工性，但其应用常受限于固有的脆性和低热稳定性。相比之下，PHA提供了适用于医疗用途的优异可生物降解性和生物相容性，但其更广泛的工业应用受到高生产成本和窄加工窗口的阻碍。同样，虽然TPS来源于丰富低成本的原料，但其高亲水性导致耐水性差和机械性能变化，通常需要共混或化学改性。因此，基体的选择必须与最终应用的特定性能要求相一致。表1总结了所讨论的最常见生物聚合物基体的关键性能、局限性和典型权衡。天然纤维反过来是木质纤维素材料，从植物的不同部位提取，此外也有动物和矿物来源。结构上，植物纤维由半结晶纤维素微纤丝组成，这些微纤丝排列在由半纤维素、木质素和果胶组成的无定形基体中。结构上，它分为四层：最外层的胞间层含有大量果胶；第二层是初生细胞壁，刚性较小，允许细胞生长，主要由纤维素、半纤维素和果胶组成。第三层，称为次生细胞壁，由于其纤维素、果胶和半纤维素键而更厚且更耐腐蚀，并可能含有木质素，使其成为最有序和最致密的层。中心层是细胞腔，营养物质和水分通过它流动，其形态决定了纤维的密度、吸水性和机械强度。使用不同的天然纤维，如剑麻、黄麻、大麻、亚麻和竹子等。这些纤维因其高比强度、低成本、丰富性和可再生性而引起了极大兴趣，应用于各个领域。这些天然增强纤维主要呈丝状形态，如图1中的黄麻纤维所示。生物聚合物和天然纤维的组合产生了具有更具吸引力的机械和环境性能的生物复合材料。纤维的掺入可以改善模量、强度和热稳定性，同时减少化石资源的使用。然而，亲水性纤维与疏水性基体（如PLA）之间的极性差异需要关注，因为必要的化学处理可以增加粗糙度并促进化学键合，优化载荷传递。最近的研究表明，纤维体积分数、取向和分布的变化直接影响所购复合材料的性能和耐久性。工业中已有使用这些纤维的实例，例如用大麻、亚麻或剑麻纤维增强的PLA或PLA/PHA，用于汽车内饰部件（如门板和仪表板支架），提供刚性和轻量化，此外还减少了车辆的碳足迹。在生物医学应用中，壳聚糖和纳米纤维素的组合已显示出用于敷料、支架和控释药物释放的前景，这得益于其生物相容性和抗菌性能。在包装领域，已开发出用剑麻纤维增强的热塑性淀粉（TPS）以替代一次性塑料，提高机械强度并减少TPS的典型脆性。在建筑行业，已研究了用竹纤维增强的PHA或PLA复合材料用于轻质面板和结构材料，利用这种纤维的快速生长和可用性。这些例子表明，生物聚合物基体和纤维类型的适当选择，结合表面处理和界面优化，对于生物复合材料的最终性能及其工业可行性至关重要，目标是实现可扩展性。

3. 提取来源与加工要求

经典的纤维提取方法，如机械剥皮、露水/水沤麻、酶解沤麻、碱处理和化学脱胶工艺，用于去除非纤维素组分，如果胶、半纤维素和木质素。这些参数控制着纤维在用作PLA、PHA和TPS等生物聚合物增强材料时的弹性模量、机械强度和热稳定性。提取方法的选择决定了关键参数，如产率、纤维素的聚合度（DP）和工艺的能量需求。生物和酶解过程往往具有高产率并更好地保留纤维素结构，因为它们更选择性地作用于去除果胶和半纤维素，最大限度地减少纤维素链的降解。相比之下，碱化学处理虽然有效清洁纤维表面并增加粗糙度，最终有利于复合材料中的纤维-基体粘附，但由于对聚合物链的化学攻击，可能降低纤维素的DP，并需要更高的能量消耗和对产生废水的环境控制。沤麻方法对于韧皮纤维（如大麻、亚麻、黄麻、苎麻和洋麻）尤其关键，因为过程的严重程度和持续时间会改变纤维分离程度、纤维束直径和杂质的存在，直接影响复合材料的均匀性和可重复性。使用NaOH或过氧化物的化学工艺产生更清洁的纤维，并确保更大的表面粗糙度，改善与疏水性基体的粘附。然而，这些处理会降低纤维素的摩尔质量，并产生环境残留物，如果产生的废水未得到适当处理。使用水葫芦纤维的实验比较研究表明，联合方法（机械-化学）产生更清洁且表面质量更好的纤维，而纯机械方法能耗较低，但性能变异性更大，并可能对纤维造成机械损伤。因此，方法的选择将决定纤维质量、其机械和热性能以及环境和操作影响。正在研究环境影响较低且质量控制更好的提取路线。酶解和生物沤麻是使用微生物或酶（如果胶酶和纤维素酶）的方法，允许以较低能耗且不经大量使用苛刻化学品的情况下分离纤维。在研究中，可以观察到酶解提取的产率高于露水沤麻，分别为24%和16%，这可能因所用酶而异，而酶解沤麻的能量需求较低，因为露水沤麻需要更长的处理时间。物理-热化学过程，如蒸汽爆破，促进木质纤维素基质的碎裂，并促进后续的精制和纤化步骤；然而，由于涉及高温高压，它们与高能量需求和DP的潜在降低相关。研究表明，当将蒸汽爆破预处理应用于稻秆以提取纤维素时，在优化条件下（约200°C，33分钟）获得了约70%的效率和约20%的产率。尽管该研究未报告能量需求，但可以预测与使用高温高压相关的高能量需求，这是蒸汽爆破过程的固有特征。反过来，使用被视为绿色的溶剂，如离子液体（ILs）和深共晶溶剂（DESs），在选择性分馏木质素和半纤维素方面显示出高产率，并具有生产高纯度微纤维素和纳米纤维素的潜力，正如在研究中观察到的，基于深共晶溶剂（DESs）的方法在去除半纤维素方面被证明是有效的，总质量产率超过90%，高于碱提取（57%）。聚合度可以间接观察，因为X射线衍射的结构分析表明，DES处理导致比碱方法更低的结晶度，这暗示其聚合度也低于碱方法获得的聚合度。在能耗方面，尽管DES被归类为绿色路线，但其较低的纤维素回收效率意味着更高的能量需求，而碱路线能耗适中，但分馏效率更高。因此，综合考虑产率、聚合度保持和能量需求，酶解和生物方法在获得高质量纤维和较低能量影响方面提供了最佳的整体折衷，而化学和物理-热化学路线提供了更高的清洁和分馏效率，但能量成本更高，且纤维素结构降解的风险更大。表2展示了一些从天然资源中提取纤维的方法实例。

4. 表征方法

表征方法对于理解植物源生物聚合物和天然纤维的内在性能至关重要，这允许预测它们在复合材料应用中的性能。这种理解对于改进材料选择、调整加工参数以及支持可持续复合材料结构完整性和寿命很重要。全面的表征有助于开发高性能生物复合材料，通过揭示纤维提取、化学处理和基体整合中的改性如何影响最终产品的特性。这些分析技术提供了对这些材料层次结构、化学组成和机械响应的见解，指导其定制应用。

4.1. 结构与形态分析

扫描电子显微镜（SEM）是可视化单根纤维表面形态和复合材料断裂表面的主要工具，提供关于纤维-基体粘附和分散的见解。该技术允许识别表面缺陷、纤维拔出和基体开裂，这些是复合材料失效机制的关键指标。除了视觉检查，先进技术如透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）可以进一步阐明单根纤维的超微结构和纳米力学性能，以及它们在生物聚合物基体中的界面，提供关于纤维取向和纳米尺度应力分布的关键信息。揭示的纤维在生物聚合物基体中的形态可以直接与复合材料改进的机械性能相关联。SEM和AFM在表征纤维和复合材料表面形态方面发挥互补作用。SEM在微米尺度上提供表面形貌和纹理的高分辨率成像，揭示纤维粗糙度、空隙和断裂表面上的基体-纤维界面等细节；例如，纤维增强PLA-PBS共混物的SEM显微照片显示均匀的基体分布和微观结构均匀性，有助于评估可持续结构材料的机械完整性。然而，SEM主要提供二维投影，并且对于非导电样品（如天然纤维）需要导电涂层，可能引入假象。AFM通过提供真正的三维形貌图和定量纳米力学数据，在更高分辨率（纳米尺度）上补充SEM，非常适合精确的高度测量、粗糙度量化和纤维表面的弹性映射，无需真空或涂层。AFM量化处理后表面变化，如纤维上聚合物积累导致的粗糙度增加，这转化为复合材料中天然纤维的研究。其局限性包括较小的扫描区域、较慢的成像以及对尖端假象的敏感性，使其在大型断裂概览方面不如SEM的宽视野适用。总之，这些技术提供了全面的形态学见解，SEM用于概览和化学背景，AFM用于绿色复合材料研究中的纳米尺度精度。此外，由于AFM使用机械探针扫描，它能在多样样品上实现真正的三维形貌，但受限于较小的扫描区域和较慢的速度，而SEM适用于微米尺度概览。多项研究报道，将天然纤维（如洋麻、黄麻或苎麻）掺入生物聚合物基体（如聚乳酸（PLA）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS））中，导致机械性能显著增强。例如，碱化PLA-洋麻纤维复合材料相比纯PLA，拉伸强度约增加30%，而表面改性纤维的PBS-大麻纤维复合材料由于改进了纤维-基体界面粘附而表现出优异的弯曲强度。图3展示了用于可视化纤维表面形态的显微技术示意图。X射线衍射（XRD）是确定生物聚合物（如纤维素）结晶度指数的基础，该参数直接影响纤维的刚度和强度。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱提供了关于官能团的关键信息，检测化学或物理纤维改性处理后的结构变化。因此，增强的界面粘附促进了从基体到增强纤维的更有效载荷传递，从而改善了拉伸和弯曲性能。此外，更强和更均匀的界面通过减少过早的纤维拔出并允许裂纹偏转和受控脱粘机制来改变损伤演化。这些过程增加了断裂过程中的能量耗散，导致复合材料整体韧性的改善。

4.2. 热表征

纤维和复合材料的热稳定性通过热重分析（TGA）进行评估，该分析提供关于质量随温度变化的信息，并识别与半纤维素、纤维素和木质素行为相关的降解步骤。纤维及其复合材料的热行为受纤维固有性能（如纤维素、半纤维素和木质素含量）以及它们与聚合物基体相互作用的强烈影响。因此，对这些因素的全面理解对于研究复合材料在不同温度条件下的行为至关重要。差示扫描量热法（DSC）用于确定热转变，如熔融温度、玻璃化转变温度和结晶温度，这些对于预测复合材料在加工过程中的行为很重要。动态力学分析（DMA）通过表征粘弹性性能（如储能模量和损耗模量）来补充这一信息，并揭示材料对循环应力的响应。

4.3. 机械表征

植物纤维作为增强材料的有效性通过机械表征严格评估。基本的机械性能，包括强度、弹性模量和韧性，通过遵循ASTM（美国材料与试验协会）和ISO（国际标准化组织）标准的拉伸、弯曲和冲击测试确定。此外，纳米压痕提供了一种先进技术，用于在微观水平上量化单根纤维或特定复合材料区域的局部硬度和弹性模量，从而能够更深入地理解表面改性与其整体材料性能之间的关系。这些详细的机械表征对于理解植物基复合材料在各种使用条件下的承载能力和变形行为至关重要，确保其适用于各种工程应用。纤维素纤维的平均微纤丝角，通常通过X射线衍射确定，显著影响其机械行为和拉伸性能，从而影响最终复合材料的性能。这些机械性能的评估在评估旨在优化纤维-基体粘附和复合材料内应力传递的各种纤维处理（物理、化学或生物）的影响时尤为关键。

4.4. 表面与化学成分分析

纤维-基体粘附是复合材料性能的关键因素，直接受表面组成的影响。因此，表征技术的选择基于其提供元素组成、官能团和表面能学互补信息的能力。诸如X射线光电子能谱（XPS）等技术用于量化纤维表面的元素比例，提供关于表面化学的关键数据。此外，表面能和润湿性，作为纤维-基体相容性的指标，通过接触角测量进行评估。互补的化学分析，包括木质素、纤维素和半纤维素含量的测定，提供了关于纤维固有组成及其在基体中潜在相互作用的见解。这些见解对于理解各种表面处理（如碱化或硅烷化）如何改性纤维的表面能并增强与生物聚合物基体的界面键合，从而改善应力传递效率和整体复合材料机械性能至关重要。因此，XPS、接触角测量和组成分析的综合使用为评估纤维-基体相互作用和优化表面处理以改善复合材料性能提供了稳健的框架。

4.5. 生物降解性与环境性能

天然纤维主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，具有固有的可生物降解性，使其在环境上优于合成纤维。它们的生物降解通过自然的酶和微生物活性发生，将纤维组分分解为可重新整合到生态系统中的简单物质，最大限度地减少长期环境影响。这种可生物降解性确保纤维增强生物聚合物复合材料与传统的石油基复合材料相比，对持久性废物和微塑料污染的贡献更小。然而，降解的速率和程度取决于纤维类型、化学处理、基体组成和环境条件（包括湿度、温度和微生物存在）等因素。例如，基于纤维素的纤维（如棉花）在适宜条件下可在数周至数月内显著分解，即使经过染料或整理剂处理，从而减少垃圾填埋负担和生态毒性。此外，天然纤维复合材料通常具有较低的碳足迹，在生产和生命周期结束后比合成纤维复合材料需要更少的能源，从而强化了它们在可持续材料解决方案中的作用。尽管如此，纤维复合材料的异质性给回收带来了挑战，因为纤维降解可能对再加工时的机械性能产生不利影响。未来的工作对于提高生物降解性和可回收性，使性能与环境可持续性相匹配非常重要。因此，在生物聚合物复合材料中使用天然纤维体现了向环保材料的转变，符合循环经济原则和全球减少污染和资源消耗的努力。为了准确预测植物纤维增强复合材料的环境影响和行为，在土壤、水或堆肥条件下进行生物降解测试。此外，进行加速老化研究以模拟真实世界的操作场景，从而全面评估其耐久性和性能随时间退化的速率。这些关键评估共同强调了确保所开发的生物基复合材料的长期可持续性和生态安全性的必要性。表征方法共同确保生物聚合物和天然纤维被充分理解，从而能够在可持续复合材料系统中进行优化设计和应用。生物降解性和环境表征技术既提供短期性能数据，也提供长期可持续性指标。生物降解测试、加速老化和环境影响评估的综合应用，能够全面评估生物复合材料的生态可行性，支持其在可持续产品中的潜在应用。

5. 纤维基复合材料与产品的增强

5.1. 增强机制

使用植物纤维作为聚合物基体中的增强剂，代表了在各种应用中替代合成纤维的可持续替代方案。增强通过基体与纤维之间的载荷传递发生，界面粘附、长径比和纤维分布是决定复合材料性能的因素。植物纤维的固有性能，如高比强度和比模量，加上其可再生性，显著增强了它们作为增强材料的吸引力。本节展示了这些天然纤维增强生物聚合物复合材料机械性能的基本机制，以及影响其增强效率的关键参数。纤维作为结构元件，支撑和分布应力，从而减少基体变形。这种应力分布通过允许复合材料承受比任一单独组分更高的载荷来防止灾难性失效。长径比越高，增强能力越大，前提是界面粘附有效。纤维取向也显著影响复合材料性能：与载荷轴对齐的纤维显著增加强度，而随机分布的纤维赋予各向同性。有效的应力传递从较弱的基体到较强的纤维，前提是强界面键合，通常通过化学或物理处理实现，这些处理改善润湿性和粘附性。例如，研究表明，将亚麻纤维掺入聚乳酸中，在30 wt.%纤维含量下，可将拉伸强度提高约50%，并将刚度增加至3.4至8.4 GPa。类似地，椰壳纤维增强聚丙烯可通过化学处理优化机械性能并减少吸水率，这归因于改善的纤维-基体键合。竹纤维增强高密度聚乙烯复合材料的机械性能也随着纤维含量的增加而改善，突显了天然纤维增强聚合物性能的潜力。这种增强在汽车工业、建筑和包装等对特定强度和刚度要求严格的工业部门对可持续材料需求日益增长的情况下至关重要。

5.2. 纤维改性处理

天然纤维具有高机械强度，是许多领域中传统纤维的有力替代品。已知这些材料含有木质素、半纤维素和蜡质等固有成分，这些成分往往导致与疏水性基体的粘附不理想。为了克服这一限制，采用了各种化学、物理和生物处理方法。纤维素的高结晶度和强分子间氢键的存在使其难以在普通溶剂中溶解。已采用多种策略来增强生物复合材料中纤维-基体界面相容性，特别是克服与木质纤维素纤维的化学官能化和生物处理相关的挑战。化学官能化是缓解这些挑战的主要策略。碱处理（丝光处理）有效去除表面杂质、非纤维素材料和蜡质，从而降低亲水性并增加表面粗糙度，以实现更好的机械互锁。除了碱化，乙酰化涉及用乙酰基取代纤维表面上的羟基，从而降低吸湿性并改善疏水性。类似地，硅烷偶联剂与纤维表面上的羟基形成共价键，显著提高耐湿性并改善复合材料的机械性能。除了传统的化学方法，还出现了绿色技术。亚临界水水解（SBW）和超临界水水解（SCW）通过纤维素解聚改变亲水-疏水平衡来改性表面特性。SBW水解增强溶剂可及性并有效溶解不需要的无定形区域以提高总产率，主要发生在结晶表面以保留纤维性能。SCW水解在高温高压条件下进行，促进糖苷键的断裂并促进部分木质素去除，增加纤维素纯度和表面清洁度。此外，该技术促进了木质素的部分去除，从而增加纤维素纯度和表面清洁度，这对于改善聚合物复合材料中的纤维-基体粘附至关重要。生物处理提供了另一种环保途径。基于水解的酶处理允许以比苛刻化学过程更高的选择性和更低的能量成本转化木质纤维素生物质。酶水解的机制以及底物结构与各种糖基水解酶功能之间的关系已被研究。好氧和厌氧细菌，以及来自子囊菌和担子菌的 fungi，都具有能够降解果胶和半纤维素而不损坏纤维素核心的特定糖基水解酶。最后，物理方法如大气压等离子体处理在不影响纤维素整体特性的情况下改善界面粘附。引入活性物种和极性基团（如 -OH、-COOH、-NH₂）增加了表面能与极性基体的相容性。然而，等离子体处理在均匀性方面存在挑战，特别是对于细纤维或具有高表面积与体积比的材料，这可能导致有限的均匀性。

5.3. 用于纤维增强的生物聚合物基体

植物纤维可以掺入天然聚合物（如淀粉、蛋白质、木质素和果胶）以及可生物降解的合成生物聚合物（如聚乳酸（PLA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS））中。纤维与基体之间的相容性对于载荷传递和防止过早失效至关重要。研究通过开发有效的偶联剂和优化加工条件来解决这一问题，以桥接通常亲水性天然纤维与通常疏水性生物聚合物基体之间的差异。这些偶联剂促进更强的界面粘附，这对于利用植物纤维增强能力的高性能生物复合材料至关重要。尽管进行了广泛研究，但由于天然纤维与生物聚合物基体之间固有的组成差异，在实现最佳相容性方面仍然存在挑战。生物聚合物作为基体材料被深入研究，因为它们在减少废物管理方面具有潜力。例如，源自可再生资源（如淀粉和壳聚糖）的生物聚合物基体提供适用于包装和医疗设备的性能。纳米纤维素纤维增强淀粉生物聚合物复合材料的开发显示出增加的机械强度、柔韧性和热稳定性。这些纳米复合薄膜显示出作为环保可生物降解包装材料的巨大潜力。此外，壳聚糖/纤维素复合材料的形态提供了更好的应力传递和相容性，在决定增强的机械和热性能方面起着关键作用。将壳聚糖、淀粉和PLA掺入这些富含纤维素的配方中，为开发适用于多种应用的可持续材料提供了一种有前景的策略。植物纤维与生物聚合物的增强也面临挑战，涉及复杂的回收过程、有限的阻燃性、对长期可持续性的担忧以及可扩展性和成本效益问题。为了缓解这些问题，必须开发更有效的回收方法以减少环境影响，制定关于纤维衍生复合材料回收步骤的法规，标准化全球范围内的回收过程（因为产品和包装可能在全球范围内分布），创新配方和处理以增强阻燃性，提高纤维增强聚合物生产过程的耐久性和可持续性，并优化制造技术以使高性能应用更可扩展和经济可行。

5.4. 应用与产品

植物纤维增强生物复合材料因其有利的机械性能和环境效益，正越来越多地被各个领域采用。例如，汽车工业广泛使用这些复合材料用于内饰部件，提供出色的绝缘性和比传统材料更轻的重量。此外，它们的可生物降解性和较低的碳足迹与制造商和消费者日益增长的环境意识相一致，将其定位为合成纤维复合材料的可行替代品。在建筑领域，它们被用于非结构性元件，如隔热板和隔断墙，得益于其声学和热性能以及可再生性。除了汽车和建筑，包装行业越来越多地采用生物聚合物复合材料，因为其改善的阻隔性能和减少的环境影响。这种广泛采用强调了植物基纤维增强技术的多功能性和日益成熟的成熟度，将其应用扩展到运动用品和消费电子产品，其中轻质、高性能和可持续材料备受青睐。开发新型混合复合材料，结合不同的植物纤维（如黄麻和金合欢），进一步扩展了在这些应用中定制性能和改进性能的潜力。因此，植物基复合材料的多功能性扩展到家具和其他结构部件，为传统材料提供了环保且经济高效的替代品。

5.5. 挑战与未来展望

尽管持续取得进展，但由于固有的自然变异，在实现纤维标准化方面仍然存在显著障碍。此外，当前处理方法的大规模适用性及其与各种聚合物基体的相容性仍然是关键限制因素。应对这些挑战需要对稳健且可扩展的纤维改性技术进行深入研究，这些技术可以确保一致的纤维性能和在各种生物聚合物系统中的最佳界面粘附，从而增强其商业可行性并扩展其应用范围。尽管如此，将农业工业废物流作为纤维来源进行增值的趋势，加上整合到循环经济框架中，为增强这些可持续材料相对于传统替代品的市场竞争力提供了一条有前景的途径。这种方法不仅减少了废物，还为复合材料生产提供了经济高效且环保的解决方案。此外，化学官能化可以成为缓解植物源复合材料中增强纤维挑战的策略。其中一些方法可以包括：(I) 碱处理，去除表面杂质、非纤维素材料和蜡质，降低亲水性并改善复合材料粘附；(II) 乙酰化，通过用乙酰基取代纤维表面上的羟基，降低吸湿性，改善疏水性和复合材料强度；(III) 使用硅烷偶联剂，与纤维表面上的羟基形成共价键，改善耐湿性，从而改善复合材料的机械性能。废生物质的系统利用显著减轻了环境影响，同时减少了对原始资源的依赖并降低了总体生产成本。此类策略对于加速向真正可持续材料经济的过渡至关重要，为传统的石油基复合材料提供了引人注目的替代方案。在此背景下，可以指出一些空白和未来方向，以将实验室进展转化为广泛的工业应用，例如：(a) 纤维-基体界面优化：尽管在化学处理（如碱丝光处理和相容剂）方面取得了进展，但在亲水性天然纤维与疏水性生物聚合物基体之间实现一致且耐用的强粘附仍然是一个挑战。未来的研究应侧重于新型表面改性技术和偶联剂，这些技术可以增强界面相容性而不损害可生物降解性。(b) 加工技术标准化：挤出、模塑和混合复合材料制造工艺在参数和设备上差异很大，导致纤维增强生物聚合物复合材料最终性能的变异性。需要标准化的协议和可扩展的制造工艺，以确保可重复性并优化机械和热性能。(c) 全面的生命周期与可持续性评估：虽然天然纤维和生物聚合物因其环境效益而被广泛推广，但涵盖生命周期碳足迹、寿命终止可生物降解性和资源使用的整体评估不足。未来的研究应整合此类分析，以量化现实世界的可持续性影响并确定改进机会。(d) 应用领域扩展：当前研究主要集中在建筑、汽车和包装领域。新兴领域，如生物医学设备、柔性电子和高性能结构部件，需要定制的复合材料配方和性能评估。探索结合天然纤维和生物聚合物的多功能复合材料，可以为创新开辟新途径。

6. 结论

本综述展示了植物纤维和生物聚合物在开发可持续复合材料中的作用，表明这些成分的组合可以平衡机械性能和环境责任。天然纤维具有可再生性、可生物降解性和低密度等优势，而生物聚合物基体有助于减少材料应用过程中的环境影响。分析表明，复合材料性能不仅受纤维固有性能和基体特性的强烈影响，还决定性地受纤维提取和处理路线的影响，这些路线控制着产率、纤维素聚合度、表面清洁度和工艺能量需求等参数。当希望更好地保留纤维素结构和较低能量影响时，生物和酶解方法脱颖而出，更适合需要更好机械完整性和工艺可持续性的应用。相比之下，化学和物理-热化学路线在生物质清洁和分馏方面显示出更高的效率，当界面粘附和纤维表面均匀性优先时更可取，尽管它们涉及更高的能耗和更大的结构降解风险。尽管通过化学表面处理和改进的制造技术取得了显著进展，但仍然存在挑战，特别是在界面相容性、湿度敏感性、加工可重复性以及缺乏标准化测试协议方面。在此背景下，本文旨在理解这些参数，以便未来关于天然纤维增强生物聚合物复合材料的研究应优先考虑根据最终应用选择提取方法的合理策略，以及可扩展且环境友好的界面处理，结合在受控条件下的标准化比较研究，以优化机械性能、耐久性和环境影响。总体而言，这些材料代表了开发高性能和环保复合材料的有前景的途径，符合循环经济原则和减少对化石资源依赖的目标。