1. 研究背景

合成纤维如碳纤维和聚酯广泛应用于建筑、交通和航空等领域，然而其生产过程依赖石化资源、能耗高且不可降解，对环境构成长期负担。天然纤维作为绿色替代材料备受关注，但其强度和稳定性常常难以满足工程要求。尤其是“自下而上”合成的纤维(如纳米纤维组装)虽强度较高，但面临高成本、能耗大、难以规模化的问题。而“自上而下”提取的天然宏观纤维则普遍存在结构缺陷、强度不足等瓶颈。竹子因其天然高密度的纤维结构、生长速度快、碳吸收能力强，成为理想的可持续材料来源。本文提出一种简便、可规模化的“自上而下”方法，从天然竹材中高效提取出高强度、高模量的纤维材料，为绿色复合材料的可持续发展提供了全新路径。

2. 文章要点

1. 绿色提取工艺突破。通过温和的过氧甲酸化学脱木素处理，结合自然风干脱水过程，成功分离出成千上万根单一结构清晰、取向良好的纤维。该方法能有效去除木质素和半纤维素，保留高结晶度的纤维素骨架，避免传统机械剥离带来的结构破坏。

2. 性能媲美碳纤维。所提取的竹纤维表现出卓越的力学性能——抗拉强度高达1.90 ± 0.32 GPa，杨氏模量达91.3 ± 29.7 GPa，远超天然木材及机械提取的竹纤维，甚至接近于沥青基碳纤维。单位质量强度达到1.26 ± 0.21 GPa·cm3·g-1，超过钢丝、玻纤等传统增强材料。

3. 生命周期碳排放显著下降。对比多种天然与合成纤维，竹纤维在满足强度要求的前提下，碳足迹低、质量轻，特别适用于航空、汽车等对轻量化有高需求的领域。研究表明，与聚酯纤维和尼龙相比，其温室气体排放可减少25–92%。

图1. 从天然竹材中提取高性能纤维的两步工艺流程

图2. 脱木素过程中纤维结构从竹材中逐渐解构分离

图3. 结构与成分对比显示，化学脱木素后纤维晶体取向更优，结晶度更高

图4. 力学性能对比表明竹纤维远超天然纤维和部分合成纤维

图5. 生命周期分析表明其在碳排放和材料替代上均具有显著优势

3. 研究结论

本文提出了一种简便可行的从天然竹材中提取高性能纤维素宏观纤维的策略。通过温和的化学脱木素和风干过程，构建出由高度结晶、定向排列的纳米纤维素构成的致密纤维结构，显著提升了其力学性能和界面结合能力。相比传统木材结构中的空腔与缺陷，竹材天然致密的宏观纤维结构赋予其更优越的力学基础。所提取的竹纤维不仅具有优异的强度与模量，还具备良好的可加工性与环保属性，具备替代碳纤维和玻纤在结构复合材料中应用的潜力。生命周期评估显示，其碳排放远低于多种现有材料，是实现“绿色增强”与低碳制造的理想方案。

4. 文章信息

Zhihan Li, Chaoji Chen, Hua Xie, Yuan Yao, Xin Zhang, Alexandra Brozena, Jianguo Li, Yu Ding, Xinpeng Zhao, Min Hong, Haiyu Qiao, Lee M. Smith, Xuejun Pan, Robert Briber, Sheldon Q. Shi, Liangbing Hu*. Nature Sustainability, 5, 235–244 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41893-021-00831-2