相關論文以“An Eco-Efficient and Sustainable Strategy for Fabricating High-Strength Agricultural Fibers”為題，發表在Advanced Materials上。

作為一款人造纖維，再生纖維素纖維在環保和可持續發展方面具有巨大潛力，值得進一步研究和應用。作為一種替代方案，萊賽爾工藝采用了環保的 N-甲基嗎啉-N-氧化物水溶液作為溶劑，其閉環溶劑回收率超過 99%。此外，萊賽爾纖維還具有出色的性能，如高強度和高濕模量，使其成為可持續紡織創新的理想材料。

萊賽爾纖維的生產面臨兩大挑戰：一是纖維素漿料制備過程的優化，二是纖維在形成過程中的性能調控。目前，漿料主要依賴進口木漿和棉漿，但這些原料受生長周期長以及土地資源有限的限制。因此，具有高產效、低成本且纖維素含量豐富的農業廢棄物成為克服原料瓶頸的可行替代原料。

在這項研究中，研究人員提出了一種可回收利用且高效的分離方法，用于選擇性提取農業纖維素。通過采用了一種基于羧酸類的溶劑法，通過競爭性氫鍵作用，破壞木質素中的酯鍵以及木質素-碳水化合物復合體中（LCCS）的糖苷鍵，從而從農業廢棄物中提取纖維素。所得出的農業纖維素具有高達 72.6%的結晶度，α-纖維素含量達到 91.2%。此外，研究人員采用了干噴濕法紡絲工藝來制備農業纖維素復合材料，使用環保的 NMMO 水溶液進行溶解處理。這種方法使得農業纖維素復合材料具有高度有序的納米纖維結構，通過拉伸誘導的取向、可控的結晶過程以及空間限制效應，最終獲得了高達 852 MPa 的抗拉強度。其斷裂強度為 110 MJ/m3，單位質量的斷裂功為 109 KJ/m2。本研究提出了一種簡單、可持續且可擴展的方法，能夠利用農業廢棄物生產高性能再生纖維素纖維。這一方法為低價值生物質資源的轉化以及可持續材料制造的進步提供了重要的前景。

圖1  Agro-RCF 的制造工藝。圖中展示了利用酸法分離 Agro 纖維素的過程，以及具有納米纖維結構的 Agro-RCF 的紡制過程

在生物質成分的分離方面存在的主要限制因素，正是生物質價值化過程中的關鍵難題。在這里，研究人員提出了一種高效的提取農桿菌纖維素的方法。該方法能夠選擇性地斷裂各成分之間的連接鍵，同時保留天然纖維素的結構。該方法能夠選擇性地斷裂各成分之間的連接鍵，同時保留天然纖維素的結構。所使用的 DES 體系基于羧酸基團，其中膽堿氯鹽被用作氫鍵接受劑，而醋酸則作為氫鍵供體。為了闡明這種 DES 體系的脫木質化機制，選用了β-O-4 型木質素二聚體——2-(2 - 甲氧基苯氧基)-1-(3,4 - 二甲氧基苯基)-1,3 - 丙二醇（PG）作為模型化合物。PG 型木質素 - 碳水復合物（PG-LCC）的化學鍵斷裂路徑如圖2a 所示。氯離子促進了 PG-LCC 中β-O-4 醚鍵的斷裂，從而生成了酚類化合物和糖苷中間體。這些中間體中的糖苷鍵隨后被斷裂，生成了碳水化合物和木素中的桂酰單元，這一過程主要依賴于酸性位點的質子誘導激活。此外，質子的引入還促進了帶電的 DES 與木素芳香環之間形成新的π-π堆積相互作用，從而削弱了木素內部的π-π相互作用。

為了評估提取效率，研究人員系統地研究了六個關鍵參數的影響，這些參數包括氫鍵受體（HBA）和供體類型（HBD）的類型、農業殘留物的種類、反應時間、反應溫度、HBA 和 HBD 的摩爾比以及溶液比例。根據重量損失比指標，結果顯示：使用以 ChCl 和 AA 為原料、摩爾比為 1:2 的 DES，在 140°C 下反應 4 小時時，纖維素的分離效果非常出色。然而，農業殘留物具有復雜的結構，含有多種雜質，且各成分之間難以有效分離。因此，采用一步法 DES 工藝得到的纖維素中，α-纖維素的含量為 76.5%，雜質含量為 23.5%，無法滿足高質量纖維素的要求（見圖 2f）。非纖維素成分的存在會阻礙溶解和紡絲過程。為克服這一缺陷，研究人員采用了一種環保且可回收的索氏提取預處理技術。采用水和乙醇對樣品進行了提取前處理，以去除污染物、蠟質以及可提取的油脂成分。這一過程約去除了 30%的多糖成分，同時增加了碳水化合物與木質素之間的空間距離。隨后，將預處理后的生物質進行了 DESI 處理。結果顯示，經過后續脫木質素處理之后，樣品中的α-纖維素含量達到了 87.4%，半纖維素幾乎完全去除（從 25%降至 0），而木質素含量則從 31%降至 3%。經過兩步的 DES 處理，纖維素的純度進一步提升到了 91.2%。重要的是，DES 工藝具有優秀的可回收性，在五次重復使用過程中仍能保持較高的提取效率。盡管由于溶解的雜質積累，α-纖維素含量略有下降，但第五次循環后提取出的 Agro-纖維素仍然符合后續紡絲過程的純度要求。這證實了 DES 工藝在大規模纖維素分離方面的經濟性和環境適應性。

農業纖維素纖維的制備涉及兩個關鍵步驟：纖維素的溶解和再生。在 NMMO 溶液中，纖維素的溶解是一個物理過程。低濃度的 NMMO 水溶液首先滲透到纖維素的無定形區域，導致纖維素膨脹。當 NMMO 與水分子的比例接近 1:1 時，NMMO 中高度極性的 N─O 鍵能夠與纖維素上的羥基形成新的氫鍵，從而破壞纖維素原有的氫鍵網絡。當纖維素分子鏈間的氫鍵完全斷裂時，纖維素的溶解過程就完成了。

圖2  纖維素溶解與再生機制以及 Agro-RCFs 的化學結構。

  這項研究提出了一種可靠、可擴展且適用于各種情況的制造高價值農用纖維素的方法。通過多階段梯度純化技術，能夠從多種農業廢棄物中提取高效的纖維素，包括稻子秸稈、小麥秸稈、稻殼、玉米秸稈和花生殼。隨后，這些材料被成功溶解并紡成 Lyocell 纖維，這一過程利用了拉伸誘導的定向和空間限制策略（見圖4a、b）。通過 NMMO 溶解法以及干噴濕法紡絲技術，將提取的纖維素轉化為再生纖維。經過 20 倍的拉伸處理后，Agro-RCFs 的拉伸強度和斷裂功分別增加了約 6-8 倍和 10-20 倍，這表明拉伸引起的納米纖維排列和氫鍵致密化具有顯著的增強效果。由小麥秸稈制成的 Agro-RCFs 表現出最高的拉伸強度，而由花生殼制成的 Agro-RCFs 則具有更好的延展性（見圖4e，f）。不過，與從玉米芯中提取的農用纖維素相比，來自農業廢棄物纖維的機械性能仍然存在一定差距。這一差距主要源于生物質資源中化學成分的顯著差異，例如稻殼的灰分含量高達 15%–20%。將多樣化的農業廢棄物轉化為高質量再生纖維素纖維的成功案例，不僅為生物質資源的增值提供了有效的途徑，還能減少農業污染和資源的浪費，從而體現了循環型生物經濟的核心原則。這種材料的可適應性和工藝的可擴展性，使得這種方法成為紡織行業可持續生物質精煉領域的一個有前景的解決方案。

圖4農用纖維素纖維生產的通用性與環境影響：(a) 提取出的農用纖維素的形態結構；(b) 相應的農用纖維素纖維的形態結構

這項研究通過制造高性能的 Agro-RCFs纖維，找到了一種可規模化實施且對環境友好的農業廢棄物高價值利用方法。DES 體系能夠高效提取含α-纖維素 91.2%、結晶度達 72.6%的農業纖維素，這充分證明了其強大的脫木質化能力和結構保持能力。此外，DES 還具有出色的可回收性，在連續五次重復使用過程中仍能保持提取效率，從而凸顯了其經濟性和環境友好性。所制備的 Agro-RCFs 纖維采用干噴濕法紡絲工藝，在剪切力和拉伸作用下形成分層納米纖維結構，這使得這些纖維具有出色的機械性能：抗拉強度超過 852 MPa，韌性達到 110 MJ m-3。這種方法避免了使用有毒試劑，同時有效防止了有害物質的產生。這種方法的實施實現了全過程的可持續性。該研究所提出的策略不僅能夠縮小生物基纖維與合成纖維之間的性能差距，還能為低價值生物材料的通用化和循環利用提供切實可行的解決方案。憑借其可擴展性、資源利用效率以及環境兼容性，這種方法為農業領域相關的纖維在可持續紡織品、生物醫學材料、工業增強材料以及新興的柔性材料和航空航天設備中的應用提供了巨大潛力，有助于推動低碳和循環型生物經濟的發展。

原文DOI:doi.org/10.1002/adma.74131