天然纤维凭借其可生物降解性、可再生性及低密度等特性，日益被视为推动材料技术向循环与环保范式转型的关键可持续材料。本综述对天然纤维资源进行了批判性梳理，涵盖其分类体系、化学组成及结构特征。研究人员系统讨论了多种纤维提取技术，将水沤麻（water retting）与机械剥皮（mechanical decortication）等传统工艺，与酶解处理、离子液体（ionic liquids）、微波辅助提取及超声辅助提取等新兴绿色方法进行对比，重点阐明了这些工艺对纤维形态、结晶度（crystallinity）及表面性质的调控机制。基于文献数据范围，研究人员总结了主要天然纤维的物理化学、热学及力学性能，以明确其在聚合物复合材料中的增强潜力。综述进一步评估了汽车、建筑、生物医学、包装及可再生能源等关键领域的应用现状，深入探讨了材料性能与工业可行性的平衡。此外，研究人员特别强调了混合复合材料、纳米纤维增强体、抗菌表面功能化及智能生物响应材料等新兴研究方向。最后，本综述剖析了当前面临的主要挑战，包括农业气候条件导致的纤维品质变异性、环保提取工艺的可扩展性局限、环境应力下的耐久性问题以及标准化测试协议的缺失。解决上述问题对于推动天然纤维基材料在可持续工程应用中的广泛采纳至关重要。
引言
二十一世纪，全球资源枯竭、塑料废弃物激增及气候变化带来了前所未有的挑战，迫切要求开发符合可持续发展原则的替代材料。依据联合国可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 9（工业、创新与基础设施）、SDG 12（负责任消费与生产）及SDG 13（气候行动），材料行业必须从化石基产品转向可再生、低影响及循环的解决方案。在此背景下，源自植物、动物及农业残留物的天然纤维成为下一代可持续材料的有力候选者。其固有的可再生性、生物降解性、碳封存潜力及多功能性能，使其在从结构复合材料到生物医学及包装系统的广泛应用场景中占据重要地位。相比之下，玻璃纤维、碳纤维及芳纶等合成纤维虽历史上主导高性能应用，但其依赖石油原料、高能耗生产过程及难降解性引发了严重的可持续性担忧。例如，玻璃纤维生产需在超过1400°C的高温下熔化二氧化硅，消耗巨大能量并产生高温室气体排放。碳纤维虽然轻质高强，但其隐含能量几乎是大多数天然纤维的一个数量级，且回收在技术与经济上均面临挑战。合成纤维复合材料在生命周期末期的焚烧或填埋，加剧了微塑料污染，阻碍了循环经济目标的实现。此外，合成纤维处理过程中的职业健康危害，如皮肤刺激和呼吸风险，进一步增加了其环境与社会足迹。
天然纤维则提供了超越简单替代品的科学与生态优势。黄麻、亚麻、大麻、洋麻、香蕉、剑麻及竹子等植物纤维富含纤维素、半纤维素和木质素，赋予其结构强度与可调的力学性能。相较于密度为2.4–2.6 g/cm3 的玻璃纤维，天然纤维密度更低（1.2–1.6 g/cm3 ），能够在保持高比刚度的情况下实现轻量化设计。生命周期评估（LCA）一致表明，天然纤维增强复合材料的温室气体排放量及累积能耗均低于合成纤维对应物。重要的是，许多天然纤维源自农业副产品，若不加以利用往往被焚烧或丢弃，将其转化为增值资源有助于减少农村经济差距。提取与加工技术的进步进一步增强了天然纤维的竞争力。传统的水沤麻和机械剥皮法虽应用广泛，但存在处理时间长、纤维质量不均及废水排放造成的环境负担等问题。酶解沤麻、微波辅助提取、离子液体处理及综合生物炼制等新兴技术，正使得纤维分离更加清洁、快速且具有选择性，显著提升了纤维的结晶度与表面性能。结合化学或纳米颗粒改性，这些纤维可被设计以实现与聚合物基体优异的界面粘附，为高耐用生物复合材料开辟了新途径。尽管优势明显，天然纤维在主流工程和生物医学领域的采用仍受限于纤维性能变异性、湿气敏感性及标准化测试协议的缺乏。因此，亟需一份全面的科学综述，记录提取与应用进展，同时规划大规模工业集成面临的挑战与机遇。本综述旨在系统概述天然纤维资源的化学组成与结构层次，批判分析提取方法，评估跨领域应用，并识别阻碍广泛应用的关键科技缺口。
天然纤维来源与分类
天然纤维源自可再生生物资源，主要分为植物基纤维、动物基纤维及农业废弃物或新型纤维。分类至关重要，因为它将纤维的起源和化学组成与性能特征及最终用途联系起来。这些纤维的结构层次主要由纤维素、半纤维素和木质素的分布决定，决定了其在各工业领域的适用性。
植物基纤维
植物纤维因其丰富性、成本效益及优良的力学和热性能而在研究和工业应用中占主导地位。化学上，它们由40–80%的纤维素、10–30%的半纤维素、5–25%的木质素以及少量果胶、蜡和灰分组成。高纤维素组分提供刚度和拉伸强度，半纤维素控制吸湿行为和尺寸不稳定性，木质素则增强刚性和微生物抗性。种子纤维如棉和木棉因其高纯度纤维素和高结晶度，在纺织品和生物医学吸收剂中不可或缺。韧皮纤维包括黄麻、亚麻、大麻、洋麻和苎麻，提取自茎外层，表现出高拉伸强度、耐久性和相对较低的密度，使其在聚合物复合材料中的应用日益增多。叶纤维如剑麻、香蕉和菠萝纤维较粗且硬，适用于垫子、包装材料及中等强度复合材料的增强。果实纤维如椰壳纤维（coir）具有极高的木质素含量，提高了韧性、回弹性和微生物耐久性，但降低了刚度。竹子等木质或草本纤维具有均衡的纤维素和木质素比例，且再生速度快，使其成为装饰和结构应用的理想增强体。
动物基纤维
动物纤维本质上是蛋白质性质的，主要由角蛋白（如羊毛、羊驼毛、骆驼毛）或丝素蛋白（如蚕丝）组成。其分级蛋白质结构赋予了弹性、回弹性和隔热性等特性。羊毛因其卷曲形态增强了弹性和绝缘性，而丝素蛋白则兼具强度、韧性和光泽，在高性能纺织品和生物医学缝合线中具有重要价值。由于刚度低于植物纤维，它们通常不用于复合材料的承重增强。然而，其生物降解性和生物相容性使其成为生物医学应用（如支架、伤口愈合材料和组织工程基质）的理想候选者。有限的供应、相对较高的成本以及对酶解的敏感性限制了其更广泛的工业应用，使其角色局限于专业领域。
农业废弃物与新型纤维
在可持续性和循环生物经济原则的驱动下，农业残留物和非传统生物质的价值化成为一个快速增长的研究领域。香蕉假茎、印楝树枝、苦瓜藤、八角树皮、向日葵秆和仙人掌垫等农业残留物正被越来越多地视为低成本纤维原料。这些材料通常在收获后被丢弃或焚烧，将其转化为包装、纺织品和复合材料的增强体，既支持了农村收入，又减轻了环境污染。某些新型纤维还提供额外功能，如印楝基纤维保留了具有抗菌潜力的生物活性植物化学物质，而竹子和苦瓜衍生的纤维则表现出与高结晶度或原纤排列相关的独特热学和形态特征。
提取工艺
从木质纤维素生物质中提取天然纤维是其利用路径中的关键环节，决定了产率、化学纯度和结构完整性，进而影响力学性能、热稳定性和与聚合物基体的相容性。木质纤维素组织由嵌入半纤维素、木质素、果胶和蜡基质中的纤维素原纤组成，高效提取必须在保留结晶纤维素骨架的同时选择性去除无定形组分。多年来，发展出了多种方法，大致分为传统法、化学法、生物法和先进绿色法。
传统提取方法
最早的纤维提取依赖于自然微生物活动或手动机械分离。水沤麻是最常见的方法，将植物茎秆（如黄麻、大麻或亚麻）浸入池塘、河流或水箱中，厌氧细菌和真菌降解果胶和半纤维素，使纤维从木质芯中释放。该方法可获得中等纯度且细度尚可的纤维，且研究表明水沤麻相比机械分离能提高结晶度指数。然而，该过程需要10至20天，并产生富含有机物的废水，导致严重的水污染和富营养化。露置沤麻则将茎秆铺在田间，依靠真菌和好氧细菌降解粘结剂，速度较慢且高度依赖温度、湿度和降雨等环境条件，导致纤维质量不均，沤麻时间长达2至4周。机械剥皮提供了一种更快的途径，通过物理挤压和刮擦分离纤维，将处理时间缩短至数小时或数天，但机械应力常导致原纤断裂、长径比降低并产生粗糙不均的纤维束，降低了纤维的拉伸性能，限制了其在高附加值应用中的适用性。
化学与理化提取
化学处理因其快速纯化纤维和增强表面化学性质的能力而被工业界广泛采用。碱处理（最常用氢氧化钠溶液）能有效去除半纤维素、木质素、蜡和油脂，提高纤维结晶度，暴露羟基并粗糙化表面，从而改善与聚合物基体的粘附。在亚麻和大麻中，碱处理可使结晶度指数提高5%至15%，复合材料拉伸强度提高高达30%。过氧化氢或亚氯酸钠漂白常作为二次处理，进一步去除木质素和发色团化合物，生产出颜色更浅、纤维素含量更高且更适合生物医学或纺织应用的纤维。蒸汽爆破和水热处理等理化方法利用高压蒸汽或亚临界水破坏木质纤维素结构，部分解聚半纤维素，诱导原纤化并增加表面积，从而增强界面相容性。然而，必须严格控制处理强度，过高的压力或温度会破坏纤维素链，降低纤维强度。
生物提取
生物法通过酶或微生物群落选择性水解非纤维素组分，提供了一种更环境友好的替代方案。酶解沤麻利用特定的酶混合物（如果胶酶、木聚糖酶、纤维素酶和木质素酶），加速纤维分离同时最小化对纤维素原纤的损伤。酶处理纤维更洁净、更光滑，并保留更高的拉伸完整性。与传统沤麻相比，酶法可将处理时间缩短至24–48小时，且产生的废水生化需氧量显著降低。微生物沤麻利用受控的细菌或真菌菌株，同样能选择性降解基质组分。基因工程菌株已被开发用于过表达目标酶，以提高产率和一致性。通过微生物沤麻提取的大麻和黄麻纤维已证明与化学处理纤维强度相当，但废水的毒性显著降低。工业应用的主要障碍在于酶生产成本高、需要优化条件，且相比化学法处理时间较长。重组酶技术、微生物工程和固定化酶系统的进步有望在不久的将来克服这些挑战。
先进绿色与混合方法
最新的提取进展强调可持续性和过程强化。离子液体已成为高效的溶剂，能选择性溶解木质素和半纤维素，同时保留结晶纤维素相。经离子液体处理的纤维通常表现出高于70%的结晶度指数、改善的拉伸强度和增强的热稳定性。尽管潜力巨大，但离子液体的成本、不完全可回收性以及部分溶剂体系的毒性问题限制了其工业应用。微波辅助提取利用介电加热破坏木质纤维素基质，加速化学渗透，将提取时间从数小时缩短至数分钟。超声辅助提取则通过声空化增强传质，产生表面更洁净且处理时间更短的纤维。一个特别有前景的发展是将纤维提取整合到生物炼制系统中。在该方法中，纤维与生物油、生物炭和增值植物化学物质在同一闭环过程中联产，最大化资源效率。例如，竹子生物炼制已成功展示了同步纤维提取和木质素组分中的抗氧化剂回收，符合循环生物经济原则。结合两种或多种方法的混合工艺正引起越来越多的兴趣。例如，酶预处理结合微波辅助碱处理，可使亚麻纤维的拉伸强度比单步法提高高达40%。
结构与理化及生物学特性
天然纤维表现出复杂的结构和理化属性，直接决定了其在复合材料、纺织品、生物医学支架和包装中的性能。这些特性包括形态、结晶度、热稳定性、力学行为以及日益重要的生物学功能。重要的是，这些性质并非固定不变，而是随物种、地理来源和提取方法而变化。
形态学特征
显微观察证实，未处理纤维表面覆盖着果胶、蜡和木质素，阻碍了界面结合。扫描电镜（SEM）图像显示未处理黄麻表面光滑并带有残留杂质，而碱处理后的黄麻则显示出原纤维化表面和增加的粗糙度，增强了机械互锁。香蕉纤维的管腔直径在10至25 μm之间，碱处理过程中的塌陷增加了表面积并降低了密度，改善了复合材料中的结合。椰壳纤维具有较大的管腔直径（高达40 μm），表现出较高的孔隙率，这降低了刚度但贡献了韧性和冲击吸收能力。亚麻和大麻纤维则表现出相对较小的管腔（5–10 μm）和致密的次生壁，与其优异的拉伸性能相关。透射电镜（TEM）研究进一步表明，亚麻和大麻中的纤维素纳米原纤紧密排列，而竹子纤维显示出更多异质的原纤取向，反映了其中等的力学性能。
结晶度指数、微原纤角与力学性能
结晶度指数（CI）是表征纤维性能的关键参数。亚麻、大麻和苎麻纤维的CI值在65%至75%之间，棉花最高，常超过85%。黄麻和洋麻适中，为60–63%，香蕉和竹子则在55–60%范围内。椰壳纤维最低，仅为35–40%，归因于其高木质素组分。这直接转化为力学性能的差异：CI约70%的亚麻表现优异，而CI约35%的椰壳纤维性能较弱。处理工艺显著影响结晶度：大麻碱处理后CI从71%增至75%，导致拉伸模量提高20%。微原纤角（MFA）同样重要。亚麻纤维的MFA为5–10°，解释了其高刚度；大麻和苎麻处于相似范围。相比之下，香蕉和竹子纤维的MFA约为20°，椰壳纤维可超过30°，导致刚度降低但柔韧性和抗冲击性增加。高CI和低MFA的组合解释了亚麻、大麻和苎麻在高性能复合材料中的主导地位，而较高MFA的纤维更适合需要韧性的应用。单纤维力学性能变异性最大。亚麻拉伸强度为15–29 MPa，模量为5–7 GPa；大麻为15.5–28.5 MPa和3–6 GPa；苎麻与亚麻相当。黄麻适中，为13–25 MPa强度和1–3 GPa模量。剑麻和香蕉纤维在14–26 MPa强度和8–22 GPa模量之间，适用于中等强度复合材料。棉花虽然纤维素含量高，但受限于短纤维长度，模量较低（0.8–1.2 GPa）。椰壳纤维最弱，强度10–20 MPa，模量4–6 GPa，但断裂伸长率高达30–40%，提供了优异的韧性。竹子纤维居中，强度13–35 MPa，模量2–3 GPa。处理工艺强烈影响性能，但过度化学处理会因纤维素降解导致强度降低高达25%。
功能基团分析
傅里叶变换红外光谱（FTIR）提供了纤维结构的化学洞察。未处理黄麻在1730 cm−1 处的强羰基带反映了半纤维素含量，而1510–1600 cm−1 处的芳香带指示木质素的存在。NaOH处理后，这些峰减弱，3400 cm−1 处的O–H伸缩振动变得更尖锐，证实了纯化和羟基的暴露。在香蕉纤维中，碱处理使羰基吸收减少了约40%，与拉伸强度从12 MPa提高到35 MPa相关。印楝和竹子纤维显示出与酚类化合物相关的额外谱带，解释了其报道的抗菌活性。因此，FTIR不仅证实了化学成分，还提供了功能反应性和生物活性的指标。
热性能
热稳定性因纤维而异，与木质素和纤维素组分密切相关。亚麻分解起始温度为310–320°C，峰值在350–360°C，残炭率为12–15%。大麻模式类似，残炭率略高（约18%）。黄麻降解温度较低，起始约295°C，峰值330°C。香蕉纤维起始降解温度为280–290°C，峰值约330°C，与其较低的结晶度一致。富含木质素的椰壳纤维降解曲线较宽，起始近250°C，但在600°C时仍保留高达30%的残炭，尽管刚度低却表现出优异的热稳定性。竹子纤维起始降解约300°C，残炭率约25%。这些热趋势表明，亚麻和大麻适用于需要中等热稳定性的复合材料，而椰壳纤维和竹子则更适合耐火或隔热应用。
生物活性
天然纤维的生物活性正作为一种功能性属性获得认可。印楝纤维由于柠檬苦素和黄酮类化合物表现出强大的抗菌活性，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制带为15–20 mm。竹子纤维也显示出显著的抗菌效果，归因于酚类和硅成分，能在24小时内减少约80%的细菌菌落计数。大麻表现出中度抗菌活性，在培养研究中减少约60–70%的葡萄球菌生长，同时由于残留酚酸而具有抗氧化特性。香蕉纤维显示出抗氧化活性，DPPH自由基清除效率为50–60%，而椰壳纤维主要通过高木质素组分抵抗微生物攻击，而非主动抗菌。棉花和苎麻通常生物惰性，需要与纳米颗粒或抗菌剂功能化以获得生物活性。比较而言，印楝和竹子纤维结合了增强性能和抗菌活性，使其在生物医学包装和口腔保健中具有吸引力。亚麻和大麻提供力学优势和适度生物活性，而椰壳纤维和竹子则在潮湿环境中表现出优异的耐久性和抗微生物降解能力。
当前应用
天然纤维现已广泛应用于承重复合材料、胶凝系统、医疗保健、包装、技术纺织品及环境与能源产品中。性能由纤维素分数与结晶度（刚度）、微原纤角与管腔形态（韧性、阻尼）、表面化学（界面）以及相关固有或工程化生物活性共同决定。
工程聚合物复合材料
在热固性层压板中，纤维体积分数为35–45%的单向亚麻/环氧树脂复合材料拉伸强度可达220–300 MPa，模量为20–30 GPa。碱或酶处理通过提高表面能和微原纤化，使层间剪切强度提高约10–25%；硅烷整理通过共价桥接再提高约5–10%。在热塑性塑料中，含30 wt%大麻的聚丙烯（PP）复合材料配合马来酸化PP偶联剂，模量通常提高40–60%（至约3.0–3.5 GPa），强度提高20–35%。40 wt%亚麻/聚乳酸（PLA）复合材料经退火处理后模量可达8–10 GPa，热变形温度提高10–15°C。加工窗口比玻璃纤维窄，短纤维PP或PLA复合材料的压缩成型优选170–190°C且停留时间小于5分钟，以减少热氧化损伤。空隙率低于约3%至关重要，每增加1%空隙率会导致拉伸强度降低约3–5%。
建筑与民用基础设施
木质素丰富的纤维（椰壳、竹子）比高纤维素纤维更能耐受潮湿和碱性环境。在水泥砂浆中，1–2 vol%的椰壳或剑麻纤维可减少约30–50%的收缩开裂，并使裂后韧性指数翻倍或增至三倍。天然纤维增强的纤维增强聚合物（FRP）布包裹砌体，使用面密度为200–300 g m−2 的大麻/亚麻织物，可将极限荷载提高约20–35%。水分扩散通常为菲克型，有效扩散系数在25°C时为1–5 × 10−7 cm2 s−1 ，随温度升高呈阿伦尼乌斯关系。使用硅烷/上浆剂后，经过1000小时85%相对湿度/40°C老化后的性能保留率可从约60–70%提升至80–90%。
生物医学与医疗保健
在牙科复合材料中，双酚A-甲基丙烯酸缩水甘油酯（Bis-GMA）/二甲基丙烯酸三甘醇酯（TEGDMA）基体中加入0.5–2.0 wt%短切亚麻或微纤维素纤维，可使弯曲强度提高10–25%（至约120–150 MPa），并减少约5–10%的聚合收缩。负载氧化锌或银的纤维通常在24小时内实现对变异链球菌≥3–5个数量级的减少，并在共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）中显示40–70%的生物膜抑制率。用于根管封闭剂的1 wt%大麻微原纤可使撕裂强度提高20–30%，且不影响阻射性。伤口护理利用可控湿度和生物活性，电纺纤维素/明胶垫结合印楝或竹子提取物，对大肠杆菌/金黄色葡萄球菌的抑制带为15–25 mm，DPPH清除率为50–70%，透湿率为1500–2500 g m−2 day−1 。
食品与药品包装
聚乳酸（PLA）增强30–40 wt%香蕉/大麻纤维可实现60–80 MPa的拉伸强度和4–6 GPa的模量。涂覆壳聚糖的大麻纸可将氧气透过率从>2000降至约50–100 cm3 m−2 day−1 atm−1 ，并在50%相对湿度下将水蒸气透过率降低30–50%。嵌入0.5–1 wt%印楝功能化纤维或1–2 wt%氧化锌的亚麻纤维可产生2–4个数量级的微生物减少，并在25°C下延长农产品货架期约2–4天。
环境修复与能源
碱活化的香蕉纤维对亚甲基蓝的吸附量达120–180 mg g−1 ，经过五次再生循环（NaCl/乙醇）后仍保持>90%的容量。镁盐处理过的黄麻纤维在接近中性pH下可去除30–45 mg g−1 的磷酸盐。用于能源存储，大麻衍生的活性炭（KOH活化，800–900°C）可实现1500–2200 m2 g−1 的BET比表面积和220–300 F g−1 的比电容（1 A g−1 ，6 M KOH），并在5000–10000次循环后保留85–95%的容量。纤维素隔膜（孔隙率约60%，Gurley值150–250 s/100 mL）为结构电池提供0.6–1.0 mS cm−1 的离子电导率和>1 N mm−1 的抗穿刺强度。
防火、声学与NVH
在环氧树脂中加入20–30 wt%的椰壳/竹子纤维可将极限氧指数（LOI）提升至约24–26%，满足UL-94 HB等级；添加10–15 wt%的聚磷酸铵或三聚氰胺磷酸盐可将LOI提升至28–31%，并使锥形量热计的峰值热释放速率降低约25–40%。对于声学应用，30–40 mm厚的椰壳毡在正常入射条件下，1 kHz以上的吸声系数α≥0.7。
未来方向与研究缺口
将天然纤维从实验室材料转化为可靠的合规产品，需要在测试标准、界面工程、兼具生物功能的杂化策略、先进制造及严格的可持续性核算方面取得协调进展。未来研究应聚焦于标准化耐久性与生物活性协议、界面工程与湿气管理、杂化生物功能层压板、短切与连续纤维增材制造、可信赖的生命周期评估（LCA）与技术经济分析（TEA）基准、生物炼制一体化供应链与可追溯性、数据驱动设计与不确定性量化、监管与安全以及抗菌管理、生命周期末端策略与循环性，以及基准测试与开放数据共享。通过这些努力，天然纤维基材料有望在兼顾高性能工程需求与生态责任及循环经济原则方面发挥变 革 性 作 用 。
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