亚麻纤维因其独特的物理化学性质、资源丰富性、生物可降解性及低成本优势持续受到关注。作为一种可再生生物质，亚麻已被广泛应用于吸附剂、聚合物复合材料增强体等领域。然而，其高吸湿性及与聚合物基体间界面黏结性较差等局限限制了更广泛的应用。本文综述了面向过滤过程的亚麻纤维预处理及表面改性方法，探讨了处理工艺对纤维物理化学性能的影响，并阐述了该类方法在开发兼具经济与环境可持续性的水/空气过滤应用中的优势。
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引言
天然纤维用于纺织的历史悠久，近年来因可作为合成纤维的可再生可持续替代物而关注度提升，其应用同时支持联合国可持续发展目标（SDGs），特别是清洁饮水与卫生设施（目标6）、产业创新与基础设施（目标9）及负责任消费与生产（目标12）。亚麻、棉、大麻等天然纤维具有低密度、资源丰富、生物可降解及可持续性等优势，已被应用于生物医学过滤介质、复合材料增强、水处理生物吸附剂及生物燃料生产等领域。其中亚麻因广泛种植于温带地区、加拿大长期为主要产区而备受关注。亚麻纤维以高强度及纺织应用历史著称，其作为韧皮纤维由复杂的生物聚合物组装而成，高度与直径随生长条件变化。尽管天然纤维优势显著，但高吸湿性与强各向异性等固有缺陷限制了其广泛应用，纤维直径与结构沿茎秆的变化亦导致性能不一致。为解决这些局限，碱化处理、硅烷化、乙酰化、过氧化处理、苯甲酰化、酯化、接枝共聚及聚合物涂层等多种化学改性技术被开发，其中化学表面处理可通过去除蜡质、油脂及木质素，改变纤维亲水性及表面粗糙度而被广泛应用。例如，马来酸酐、硅烷化及碱化处理可使亚麻纤维吸湿率降低8%至40%，并提升机械强度。此外，亚麻纤维较高的纤维素含量、较低的木质素含量、良好的机械强度、高长径比、低密度及抗菌特性，使其在过滤应用中具有独特潜力。加拿大萨斯喀彻温省等地区亚麻种植以收获种子为主，大量亚麻秸秆作为未充分利用的生物质存在，进一步强化了亚麻作为实用可持续过滤材料的地位。
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亚麻纤维
2.1 亚麻纤维的结构
亚麻茎由树皮、韧皮部、木质部及中心空腔组成，纤维束分布于茎秆外层。成熟植株中心空腔体积较小，纤维细度受成熟度影响。单根亚麻纤维由管腔与多层细胞壁构成，细胞壁分为内层次生壁与外层初生壁，次生壁包含三个厚度与结构各异的亚层。亚麻纤维具有各向异性，单纤维直径沿茎秆从底部到顶部逐渐减小，这种异质性可能有利于形成多尺度孔隙结构，提升过滤性能，但也可能导致材料性能不一致。非纤维素组分（如木质素与半纤维素）的去除会显著影响表面化学与吸附行为，这是过滤应用的关键参数，但目前相关研究仍较缺乏。
2.2 亚麻纤维分离
纤维分离通过沤麻与机械工艺将工艺纤维从木质芯中分离。传统沤麻方法包括水沤与露沤，近年发展的控制性酶法沤麻可缩短工艺时间并提升效率。脱胶是机械提取纤维的过程，可在沤麻后进行以去除杂质，所得纤维质量较低但提取时间短，适用于非纺织领域。
2.2.1 沤麻
沤麻通过微生物作用分解结合纤维与茎秆其他组分的基质材料，是影响纤维质量的关键步骤。水沤将亚麻秸秆浸入水体，好氧细菌（如芽孢杆菌属）启动降解，溶解氧耗尽后由厌氧细菌（如梭菌属）继续作用。厌氧水沤速度较慢但可产生更均匀纤细的纤维，不过会产生强烈气味与高有机负荷废水。露沤将茎秆铺于田间，依靠真菌与细菌水解果胶实现纤维分离，成本低且环境友好，但纤维一致性较差。酶法沤麻在可控生物反应器条件下添加果胶酶、半纤维素酶等，可精准调控工艺参数，获得更高纤维素含量与更细直径的纤维，但成本较高。不同沤麻方法对纤维表面化学、孔隙率及后续过滤性能具有显著影响，但目前缺乏基于过滤需求的统一评价体系。
2.2.2 沤麻工艺比较
露沤成本低且环境友好，但纤维刚度低且一致性差；水沤可获得更细腻均匀的纤维，但产生大量恶臭废水且干燥成本高；酶法沤麻效率最高且纤维性能稳定，但工业化应用受限于成本。优化沤麻条件对调控纤维孔隙率、渗透率及捕获效率至关重要。
2.3 机械提取
机械提取通过破碎、清洁与开松三步工艺，利用打辊、刀片与针齿将纤维束与木质部（shives）分离，最终获得可用于商业应用的工艺纤维。机械开纤可增加纤维比表面积，提升过滤应用中的污染物去除能力，但其对过滤性能的具体影响仍需深入研究。
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亚麻纤维改性
3.1 预处理工艺
预处理旨在去除木质素、蜡质与半纤维素等非纤维素组分，分离单纤维并为后续表面处理做准备，分为生物法、物理法与化学法三类。
3.1.1 生物法
利用果胶酶、半纤维素酶、木聚糖酶等选择性分解非纤维素组分，条件温和（近中性pH），环境友好，但处理时间较长。
3.1.2 物理法
包括等离子体、超声波、超临界CO2（ScCO2）流体与蒸汽爆破（SE）等技术。等离子体处理通过活性粒子引入官能团，环境友好且无废水，但长时间暴露会导致纤维素损失；超声波利用空化效应去除胶质，提升纤维结晶度与热稳定性，但能耗高；ScCO2处理可高效去除无定形组分，但设备复杂且占地大；蒸汽爆破通过瞬间泄压实现纤维解离，无需大量化学品，但可能导致木质素再沉淀与半纤维素降解不完全。
3.1.3 化学法
包括碱处理、氧化处理及其他绿色溶剂法。碱处理（如氢氧化钠处理）是最常用方法，可去除半纤维素与木质素，提升纤维表面粗糙度与疏水性，但高浓度碱会导致纤维结构破坏并产生大量废水，近期研究探索了柠檬酸钠、乙酸钠与碳酸氢钠等环保替代碱剂。氧化处理（如过氧化氢、高锰酸钾、NaClO2、TEMPO介导氧化及芬顿氧化）可引入羧基与醛基，提升纤维亲水性与界面黏结性，但易产生有害废液。离子液体、有机溶剂与氯化盐等新型预处理方法正被探索，以平衡效率与环境友好性。
3.2 表面处理
为进一步改善纤维疏水性、界面相容性与耐久性，需在预处理基础上进行表面改性。
3.2.1 硅烷处理
硅烷偶联剂（如3-氨基丙基三乙氧基硅烷，APTES）通过水解缩合在纤维表面形成硅氧烷网络，减少羟基数量并引入烷基链，将纤维表面从亲水转为疏水，同时提升与聚合物基体的界面黏结性，但过量处理会降低界面性能。
3.2.2 乙酰化
乙酸酐与纤维羟基发生酯化反应，以乙酰基取代无定形区的羟基，显著降低纤维亲水性，提升尺寸稳定性与热稳定性。碱预处理结合乙酰化可进一步提升纤维力学性能，催化剂的使用可提高乙酰化效率。
3.2.3 苯甲酰化
苯甲酰氯与纤维羟基反应引入疏水性苯甲酰基，提升纤维疏水性与热稳定性，同时改善与极性聚合物的界面相容性。
3.2.4 异氰酸酯处理
异氰酸酯基团与纤维羟基形成氨基甲酸酯键，大幅降低纤维吸水率并提升与聚合物基体的界面黏结强度。
3.2.5 聚合物与有机涂层
硬脂酸、亚麻油、大豆油等有机物质涂覆可赋予纤维疏水性，提升拉伸强度与热稳定性。
3.2.6 接枝共聚
马来酸酐、十八烷基膦酸等单体通过自由基反应接枝到纤维表面，调控纤维表面官能团与亲疏水性，改善与非极性基体的相容性。
3.2.7 辐射改性
电子束、γ射线与等离子体辐射可在无溶剂条件下引发纤维表面接枝反应，引入功能性单体，提升纤维阻燃性与界面性能。
3.2.8 纳米颗粒负载
TiO2、ZnO、Ag、CaO、石墨烯氧化物（GO）等纳米颗粒可通过静电作用或偶联剂锚定在纤维表面，赋予材料抗静电、自清洁、紫外防护、抗菌与阻燃等多功能特性，显著提升过滤性能。
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天然纤维的过滤前景
4.1 空气过滤
空气过滤通过拦截、惯性碰撞、扩散与静电吸引等机制去除气溶胶颗粒。纤维直径是决定过滤效率的关键因素，减小纤维直径至纳米级可大幅提升比表面积与颗粒捕获能力。过滤介质需同时满足高过滤效率、低压降、耐湿性、高容尘量与抗菌性等要求。改性亚麻纤维可通过调控孔隙结构与表面电荷，实现高效低阻的空气净化，纳米颗粒负载与静电功能化可进一步增强其性能。
4.2 空气过滤滤料的制备
非织造滤料因比表面积大、孔隙率高、成本低而成为主流空气过滤材料。湿法成网工艺通过将短纤维分散在浆料中形成均匀纤维网，经干燥与加固制得滤料，工艺参数（如纤维分散性、成网方式与干燥条件）直接影响滤料的孔隙分布与力学性能。多层复合与针刺加固等技术可进一步优化滤料的孔径分布与耐用性。
4.3 空气过滤应用
改性天然纤维（如亚麻、棉）已成功用于制备高效低阻空气过滤器，负载金属有机框架（MOFs）、石墨烯氧化物与纳米颗粒的功能化滤料可实现PM2.5与挥发性有机物（VOCs）的高效去除，兼具抗菌与抗湿性能。生物聚合物涂层与静电纺丝技术可进一步提升滤料的可持续性与过滤性能。
4.4 水处理应用
4.4.1 水处理过滤机制
水处理过滤通过深度过滤与表面过滤去除悬浮颗粒，结合吸附作用去除溶解性污染物。吸附过程可分为物理吸附与化学吸附，依赖纤维表面的羟基、羧基等官能团与污染物的静电作用、氢键与络合作用。
4.4.2 天然纤维在水处理中的应用
亚麻纤维经碱化、氧化与纳米颗粒改性后，可用于重金属离子（Cu2+、Pb2+、Cd2+等）、染料、农药与油的去除。例如，TEMPO氧化改性亚麻纤维膜可实现油水高效分离，柠檬酸改性亚麻/棉非织造布对铜离子的吸附容量优异。壳聚糖、纳米零价铁等功能材料与亚麻纤维的复合可进一步提升水处理效率。
4.4.3 天然纤维形态对过滤的影响
天然纤维可加工为粉末、颗粒、纤维、膜与凝胶等多种形态。纤维状滤料易成型、无膜污染风险且分离方便，是水处理中最具应用潜力的形态；纳米纤维素气凝胶具有高吸附容量但制备复杂；膜材料易受堵塞限制。
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未来展望
未来研究需聚焦亚麻纤维改性的工艺优化，平衡过滤效率、机械稳定性与规模化生产成本。需系统评估改性纤维在长期运行中的耐湿性、耐化学性与机械耐久性，开展技术经济分析（TEA）以验证工业化可行性。开发绿色改性试剂、减少二次污染、提升纤维回收利用率是实现可持续发展的关键。通过多层结构设计、多功能涂层与杂化技术，亚麻纤维基过滤材料有望在空气与水净化领域替代合成材料，支持联合国可持续发展目标的实现。
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结论
亚麻纤维改性通过调控物理化学结构，可显著提升其在过滤领域的应用潜力。碱预处理结合可控氧化或表面功能化是最具普适性的策略。该类材料兼具高性能、低成本与生物可降解性，为实现清洁饮水、产业创新与负责任消费提供了可持续解决方案。
