从天然植物材料中提取的脱木素纤维素基纤维，及含有这种纤维的材料

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年4月21日提交的标题为“坚固的、脱木素的纤维及其制造和使用方法(Strong,Delignified Fibers,Methods of Making and Using the Same)”的美国临时申请No.63/013,401和于2020年8月14日提交的标题为“解耦的流体输送材料及其制备方法(Decoupled Fluidic Transport Materials and Methods of Preparing theSame)”的美国临时申请No.63/065,994的利益，在此其每一个均通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开一般涉及天然存在的纤维素基材料的加工，更具体地，涉及从纤维植物材料中提取脱木素纤维素基纤维及其在结构材料和装置中的用途。

发明内容

本公开主题的实施例提供了一种通过从天然植物材料中化学提取纤维素基大纤维(macrofiber)(例如，直径至少为5μm)来制造坚固、坚韧的纤维的简单、具有成本效益的“自上而下”方法。例如，天然植物材料可以是竹子、唐菖蒲、芦苇或其他草。在一些实施例中，制造方法包括两步脱木素过程。在第一步中，用一种或多种化学品的碱溶液处理天然植物材料，以从植物材料中部分去除木质素(lignin)和半纤维素(hemicellulose)。在第二步中，用一种或多种化学品的不同溶液处理部分脱木素的植物材料，以进一步去除木质素和半纤维素。或者，在一些实施例中，制造方法包括使用一种或多种化学品的单一溶液的单步脱木素过程。在任何一种情况下，脱木素的植物材料都可以漂洗和搅拌，从而导致纤维素基大纤维彼此释放。在一些实施例中，释放的大纤维的后续干燥会导致自致密化(self-densification)，这可进一步改善大纤维的机械性能。所得的大纤维可以用作独立的结构组件(例如，绳索、电缆等)或用作基质或基材的增强物(例如，形成复合材料)。

本公开的各种创新中的任何一种都可以组合或单独使用。提供本概述是为了以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在下文的详细描述中进一步描述。本概述不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。从以下参考附图进行的详细描述中，所公开技术的上述和其他目的、特征和优势将更加地显而易见。

附图说明

下文将参考附图描述实施例，附图不一定按比例绘制。在适用的情况下，某些元件可以简化或不加以说明，以帮助说明和描述基本特征。在整个附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

图1是根据所公开主题的一个或多个实施例的从天然植物材料中提取和使用脱木素纤维素基大纤维的方法的示例性工艺流程图。

图2A是根据所公开主题的一个或多个实施例的从天然植物材料中提取的脱木素纤维素基大纤维的简化示意图。

图2B-2D分别示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的作为束、一维阵列和二维阵列的多根脱木素大纤维的示例性配置。

图3A-3D示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的复合材料的示例性配置，所述复合材料掺入以非编织配置、双轴编织、三轴编织和针织编织布置的脱木素大纤维。

图4A是示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的聚合物渗透到脱木素大纤维以形成复合材料的简化示意图。

图4B是示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的用于真空辅助树脂转移模塑(VARTM)的示例性装置的简化示意图。

图5A是根据所公开主题的一个或多个实施例的能够从中提取纤维素基纤维的天然竹节段的简化局部剖视图。

图5B是天然竹节段的横截面的顶视图。

图5C是图5B的天然竹节段的秆的放大图像。

图5D是示出了图5C的秆壁的分层显微结构的进一步放大的扫描电子显微镜(SEM)图像。

图5E是示出了其中具有大纤维和薄壁细胞的竹茎的壁部分的透视图的SEM图像。

图5F-5G是图5E的图像的部分的放大SEM图像，其分别示出了形成大纤维的微纤维和微纤维与薄壁细胞之间的区域。

图5H是天然竹大纤维中微纤维的尺寸分布图。

图6A是示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的部分天然竹的组成和通过脱木素从中提取完整大纤维的简化示意图。

图6B-6C是示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的用于脱木素的化学处理步骤分别在6小时后和12小时后的天然竹的照片。

图6D-6E是根据所公开主题的一个或多个实施例的在脱木素过程之后分离的纤维素基宏观尺度纤维的图像。

图6F-6G是分别示出了天然竹茎的顶视图和横截面侧视图的SEM图像。

图6H-6I是分别示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的部分脱木素(例如，化学处理10小时)后竹茎的顶视图和横截面侧视图的SEM图像。

图6J-6K是分别示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的通过脱木素和随后的干燥从竹茎提取的宏观尺度纤维的顶视图和侧视图的SEM图像。

图7A-7B是根据所公开主题的一个或多个实施例的从竹子提取的纤维素基大纤维的偏振光显微镜图像及其放大视图。

图7C-7D是从竹子中机械提取的比较的木质纤维素基大纤维的偏振光显微镜图像及其放大视图。

图8A是比较根据所公开主题的实施例从竹子中提取的纤维素基大纤维、从竹子机械提取的木质纤维素基大纤维和天然竹茎的应力-应变曲线的图。

图8B是比较根据所公开主题的实施例从竹子中提取的纤维素基大纤维、从竹子机械提取的木质纤维素基大纤维和天然竹茎的拉伸强度和杨氏模量的图。

图8C是比较根据所公开主题的实施例从竹子中提取的纤维素基大纤维、从竹子机械提取的木质纤维基大纤维和天然竹茎的断裂功的图。

图8D是比较根据所公开主题的实施例从竹子中提取的具有不同直径和2cm的计量长度的纤维素基大纤维的拉伸强度的图。

图9A是根据所公开主题的一个或多个实施例的由从竹子中提取的纤维素基大纤维形成的织物垫的图像。

图9B是根据所公开主题的一个或多个实施例通过将图9A的织物垫包在环氧树脂中而形成的制造的复合材料的图像。

图9C是比较图9B的制造的复合材料的拉伸强度和杨氏模量的图。

图10A-10B是分别为根据所公开主题的一个或多个实施例的天然草和从中提取的木质纤维素基大纤维的图像。

图10C-10D是分别示出了天然草及其薄壁细胞和纤维的横截面透视图的SEM图像。

图10E是根据所公开主题的一个或多个实施例的从草中提取的木质纤维素基大纤维的光学显微镜图像。

图11A是在脱木素之前的天然草的图像。

图11B示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的图11A的天然草在部分脱木素的第一步骤(左)和化学去除的第二步骤(右)之后的图像。

图11C示出了根据所公开主题的一个或多个实施例的图11A的天然草在完全脱木素的第一步骤(左)和化学去除的第二步骤(右)之后的图像。

图12是比较根据所公开主题的实施例从草中提取的木质纤维素基大纤维和天然草叶的应力-应变曲线的图。

具体实施方式

出于本说明书的目的，本文描述了本公开实施例的某些方面、优势和新颖特征。所公开的方法和系统不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开针对各个公开实施例的所有新颖和不明显的特征和方面，单独地以及以彼此的各种组合和子组合。该方法和系统不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的实施例也不要求存在的任何一个或多个特定优势或所解决的问题。来自任何实施例或示例的技术可以与在任何一个或多个其他实施例或示例中所述的技术组合。鉴于可应用所公开技术的原理的许多可能实施例，应认识到所示实施例仅为示例性实施例，不应被视为限制所公开技术范围。

尽管为了方便呈现，以特定、依次的顺序描述了一些公开方法的操作，但应理解，这种描述方式包括重新排列，除非下文所述的特定语言需要特定的顺序。例如，在某些情况下，顺序描述的操作可能会被重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出所公开的方法可与其他方法结合使用的各种方式。此外，描述有时使用“提供”或“实现”等术语来描述所公开的方法。这些术语是执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作可以根据具体实施而变化，并且容易被本领域普通技术人员所识别。

除非另有说明，否则数值范围的公开应理解为指范围内的每个离散点，包括端点。除非另有说明，否则说明书或权利要求书中使用的表示组分量、分子量、百分比、温度、时间等的所有数字应理解为被术语“约(about)”所修饰。因此，除非另有暗示或明确说明，或者除非本领域普通技术人员正确理解上下文以具有更明确的结构，否则所阐述的数值参数是可取决于本领域普通技术人员已知的标准测试条件/方法下所寻求的期望特性和/或检测极限的近似值。当直接且明确地将实施例与所讨论的现有技术区分开时，除非叙述“约(about)”一词，否则实施例数字不近似。每当“基本上(substantially)”、“近似(approximately)”、“约”或类似的语言与特定值明确结合使用时，除非另有明确说明，否则预期高达并包括该值的10％的变化。

方向和其他相对参考可用于帮助对本文中的附图和原理的讨论，但并非旨在限制。例如，可以使用某些术语，例如“内部(inner)”、“外部(outer)”、“上部(upper)”、“下部(lower)”、“顶部(top)”、“底部(bottom)”、“内侧(interior)”、“外侧(exterior)”，“左侧(left)”、“右侧(right)”、“前侧(front)”、“后侧(back)”、“后部(rear)”等。在适用的情况下，这些术语用于在处理相对关系时(特别是对所示的实施例)提供一些清晰的描述。然而，这些术语并不意味着绝对关系、位置和/或方向。例如，对于物体，只需通过将物体翻转，“上部”部分就可以变成“下部”部分。尽管如此，它仍然是相同的部分，物体仍然相同。

如本文所用，“包括(comprising)”指“包括(including)”，单数形式“一(a)”或“一个(an)”或“所述(the)”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。术语“或”是指所述替代元件的单个元件或两个或更多个元件的组合，除非上下文另有明确规定。

尽管本文所述的各种组件、参数、操作条件等都有替代，但这并不意味着这些替代必须等效和/或表现也相同。除非另有说明，这也不意味着替代方案按优选顺序列出。除非另有说明，以下所限定的任何基团均可经取代或未经取代。

除非另有说明，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文所描述的方法和材料类似或等效的方法和材料可用于本公开的实践或测试，但下文描述了合适的方法和材料。这些材料、方法和示例仅为说明性的，并不旨在限制。从以下详细描述和所附权利要求书中可以明显看出本公开主题的特征。

提供以下特定术语和缩写的解释以便于描述所公开主题的各个方面，并指导本领域普通技术人员实践所公开主题。

纵向生长方向：植物从其根部或从其树干生长的方向，形成植物细胞壁的纤维素纳米纤维通常与纵向生长方向对齐。在某些情况下，纵向生长方向通常可以是垂直的，或对应于其水分蒸腾流的方向。这与径向生长方向形成对比，径向生长方向从植物的中心部分向外延伸并且通常可以是水平的。

脱木素：从天然植物材料中去除部分(如至少50％)或几乎全部(如至少90％)天然存在的木质素。可使用本领域已知技术评估脱木素前后植物材料中的木质素含量，例如，国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)发布的实验室分析程序(Laboratory Analytical Procedure，LAP)TP-510-42618“生物质中结构性碳水化合物和木质素的测定(Determination of Structural Carbohydrates and Lignin inBiomass)”版本08-03-2012，以及ASTM国际发布的ASTM E1758-01(2020)“通过高效液相色谱法测定生物质中碳水化合物的标准测试方法(Standard Test Method forDetermination of Carbohydrates in Biomass by High Performance LiquidChromatography)”，在此两者均通过引用并入本文。

天然植物材料：以其自然状态生长的植物界中任何光合真核生物的一部分(例如，通过机械手段或其他方式切割的部分)。在一些实施例中，天然植物材料是选自禾本目(Poales order)或禾本科(Poaceae family)的物种。例如，在一些实施例中，该天然植物材料可以是竹子、唐菖蒲、芦苇、甘蔗、玉米、小麦、大米、黄麻、大麻、红麻、苎麻、香蕉、玉米、小麦、大米、玫瑰茄、藤、高粱、剑麻、棕榈、henequene、马尼拉、菠萝、curaua、丝兰、cabuja、露兜树(screw pine)、蕉麻(abaca)或龙舌兰中的任何一种。在其他实施例中，天然植物材料是来自在木质素-纤维素基质中具有自然形成(例如，生长)大纤维的任何类型的纤维植物的一部分。

竹：竹亚科(Bambusoideae)的任何一种，例如但不限于毛竹(Moso)、黄纹竹(Phyllostachys vivax)、钢竹(Phyllostachys viridis)、桂竹(Phyllostachysbambusoides)和毛金竹(Phyllostachys nigra)。

大纤维：由平行排列的多根纤维素微纤维组成的细长结构，并且其在垂直于其长度的平面内具有最大横截面方向(本文也称为直径)，例如，在100μm至1mm(包括100μm和1mm)的范围内。

微纤维：由平行排列的多根纤维素纳米纤维组成的微观尺度细长结构，并且其直径在例如1μm至10μm(包括1μm和10μm)的范围内。

基本纳米纤维：由在平行或反平行方向堆叠的多个聚合物分子链(例如，10-36链)组成的基本纳米尺度细长结构，并且其直径为例如5nm或更小。

天然植物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，其含量根据植物类型而不同。通常，天然植物材料中的纤维素被半纤维素和木质素的复杂基质包围，这使得使用传统机械技术从天然植物材料提取纤维素材料变得复杂。相比之下，所公开主题的实施例提供了一种“自上而下”的技术，其减少了天然植物材料中的木质素和半纤维素含量，但仅适度减少了纤维素含量。高度选择性的木质素和半纤维素的去除允许从植物材料中提取完整的天然纤维素基大纤维，且损伤较小。

在一些实施例中，制造方法包括两步脱木素过程。在第一步中，用一种或多种化学品的碱溶液处理天然植物材料，以从植物材料中部分去除木质素和半纤维素。在第二步中，用一种或多种化学品的不同溶液处理部分脱木素的植物材料，以进一步去除木质素和半纤维素。或者，在一些实施例中，制造方法包括使用一种或多种化学品的单一溶液的单步脱木素过程。在任何一种情况下，脱木素的植物材料都可以漂洗和搅拌，从而导致纤维素基大纤维彼此释放。在一些实施例中，释放的大纤维的后续干燥会导致自致密化，这可进一步改善大纤维的机械性能。

提取的脱木素大纤维由对齐和紧密堆积的纤维素微纤维组成，使得在它们之间形成氢键和范德华力而几乎没有结构缺陷，从而表现出改善的机械性能。例如，可构建直径为5-1000μm且长度为5-200cm的脱木素大纤维，其拉伸强度为至少0.5GPa(例如，超过1GPa)。在实施例中，脱木素大纤维可用作独立的结构组件，例如绳索、电缆、湿度激活致动器(moisture-activated actuator)或弹簧、编织织物等。替代地或另外地，在一些实施例中，脱木素大纤维与基质或基材(例如聚合物或混凝土)组合以形成复合材料。在这些实施例中，脱木素大纤维可充当基材的增强组分。

图1示出了用于从天然植物材料中提取和使用脱木素纤维素基大纤维的示例性方法100。在一些实施例中，植物材料是竹子或唐菖蒲。然而，在其他实施例中，植物材料可以是具有天然纤维素基大纤维的任何其他植物。例如，植物材料可以是禾本目或禾本科的天然草的其他类型。

方法100可以在处理框102处开始，其中提供了天然植物材料的块。例如，处理框102的提供可包括切割、移除或以其他方式将天然植物材料的块从亲本植物分离。在一些实施例中，该提供可任选地包括对天然植物材料的块的预处理，例如，清洁以去除任何不需要的材料或污染物，为后续处理做准备；将天然植物材料成形为特定形状，为后续处理做准备；或上述任何组合。

方法100可进行到处理框104，其中天然植物材料受到第一化学处理以从中去除至少一些木质素，例如，通过将天然植物材料(或其一部分)浸没在与处理相关的一种或多种化学溶液中。在一些实施例中，第一化学处理可有效地从植物材料中部分去除(但不完全去除)木质素和半纤维素。在这些实施例中，方法100可经由判断框106进行到处理框110，以便通过对植物材料进行不同于第一化学处理的第二化学处理来去除额外的木质素和半纤维素。或者，在一些实施例中，单独的第一化学处理可以有效地从植物材料中去除大部分(例如，至少90％)木质素。在这样的实施例中，方法100可以经由判断框106直接进行到判断框112，如下文进一步详细描述的。在进行处理框110的任何第二处理之前，可任选地在处理框108处洗涤或漂洗植物材料，例如，以去除从第一化学处理的植物材料中的残留化学品和/或其他杂质。例如，处理框108的洗涤可包括将植物材料(或其一部分)浸没在去离子(DI)水中。

在一些实施例中，第一化学处理、第二化学处理或二者均可在真空下进行，从而促进与处理相关的溶液完全穿透天然植物材料的细胞壁和腔(lumina)。或者，在一些实施例中，第一化学处理、第二化学处理或两者均可在环境压力条件或高压条件下(例如，～6-8巴)进行。在一些实施例中，第一化学处理、第二化学处理或两者均可在环境温度(例如，～23℃)和与化学处理相关的溶液沸腾的高温(例如70-160℃)之间的任何温度下进行。在一些实施例中，可搅拌溶液以促进木质素和半纤维素基质的溶解，其中嵌入了所需的纤维素基大纤维。

在一些实施例中，第一化学处理、第二化学处理或两者的浸没时间可在0.1小时至96小时的任何范围内，例如，在4小时至12小时(包括4小时和12小时)之间。浸没在溶液中的时间量可以是要去除的木质素量、块的尺寸、溶液温度、处理压力和/或搅拌的函数。例如，较少的木质素去除量、较小的块尺寸、较高的溶液温度、较高的处理压力和搅拌可能与较短的浸没时间有关，而较多的木质素去除量、较大的块尺寸、较低的溶液温度、较低的处理压力和不搅拌可能与较长的浸没时间相关。

在一些实施例中，第一化学处理、第二化学处理或两者的溶液包括碱性溶液。在一些实施例中，第一化学处理、第二化学处理或两者的溶液可包括氢氧化钠(NaOH)、氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钾(KOH)、亚硫酸钠(Na

例如，第一化学处理的化学溶液可包括但不限于：NaOH、NaOH+Na

在一个非限制性示例中，第一化学处理可包括将天然植物材料(或其一部分)浸没于包含氢氧化钾(KOH)和亚硫酸钠(Na

在涉及竹作为天然植物材料的另一个非限制性示例中，第一化学处理可包括将竹块(或其一部分)浸没在70℃下在NaOH(例如，10wt％)和Na

第一和第二化学处理的脱木素作用，或在一些实施例中单独的第一化学处理，导致从天然植物材料中去除大部分木质素(例如，至少90％)和/或大部分半纤维素(例如，至少90％)，同时保留大部分(例如，至少90％)纤维素。例如，在第一和第二化学处理之后，脱木素的植物材料具有小于或等于10wt％(例如，≤5wt％或≤3wt％)的木质素含量、小于或等于10wt％(例如，≤6wt％)的半纤维素含量、至少70wt％(例如，≥85wt％)的纤维素含量，或上述的任何组合。

方法100因此可以从处理框110或判断框106进行到判断框112，在此处确定是否需要洗涤或漂洗。如果需要洗涤，则方法100可以继续进行到处理框114，在此处进行漂洗。例如，脱木素的植物材料可部分或完全浸没在一种或多种漂洗溶液中。漂洗溶液可以是溶剂，例如但不限于去离子(DI)水、醇(例如乙醇、甲醇、异丙醇等)或其任何组合。例如，漂洗溶液可以由等体积的水和乙醇形成。处理框114的漂洗可在搅拌下进行，例如，使任何剩余的木质素和半纤维素的基质塌陷(collapse)，从而暴露保留的纤维素基大纤维。替代地或另外地，在一些实施例中，植物材料包括保持附着在纤维素基大纤维的不经受脱木素的支撑部分。在植物材料的后续干燥过程中，由于支撑部分内的生根和自致密化，暴露的大纤维可以自我分离。

一旦处理框114的漂洗已经完成，或者如果在判断框112处不需要漂洗，则方法100可以进行到处理框116，在此处植物材料和任何暴露的大纤维进行干燥。处理框116的干燥可包括任何导电、对流和/或辐射加热过程，包括但不限于空气干燥过程、真空辅助干燥过程、烘箱干燥过程、冷冻干燥过程、临界点干燥过程、微波干燥过程或上述任何组合。例如，空气干燥过程可包括允许脱木素植物材料在静态或移动空气中自然干燥，该空气可处于任何温度，例如室温(例如，23℃)或高温(例如，大于23℃)。例如，真空辅助干燥过程可包括在真空室或真空烘箱中使脱木素植物材料经受减压，例如，小于1巴。例如，烘箱干燥过程可包括使用烘箱、热板或其他导电、对流或辐射加热设备在高温(例如，大于23℃)(例如，70℃或更高)加热脱木素植物材料。例如，冷冻干燥过程可包括将脱木素植物材料的温度降低至低于其中流体的冰点(例如，低于0℃)，然后降低压力以使其中的冷冻流体升华(例如，低于几毫巴)。例如，临界点干燥过程可包括将脱木素植物材料浸没在流体(例如，液态二氧化碳)中，将竹节段的温度和压力增加到超过流体临界点(例如，二氧化碳为7.39MPa，31.1℃)，然后逐渐释放压力以去除现在的气态流体。例如，微波干燥过程可包括使用微波炉或其他微波发生装置，通过将脱木素的植物材料暴露于具有微波范围内频率(例如，300MHz至300GHz)(例如，～915MHz或～2.45GHz的频率)的电磁辐射，在脱木素的植物材料内诱导介电加热。

在一些实施例中，干燥可以使得通过化学处理和/或漂洗而保留在大纤维中的任何流体蒸发。在这些实施例中，蒸发的毛细效应可导致每根大纤维的微纤维拉在一起，从而导致大纤维的自致密化。例如，干燥可以使每根纤维素基大纤维的体积减少至少10％。在处理框116干燥之后，每根大纤维的含水量小于或等于10wt％(例如，≤5wt％)。在一些实施例中，干燥的大纤维的密度为至少0.8g/cm

在一些实施例中，通过方法100的上述部分从天然植物材料中提取的脱木素纤维素基大纤维的长度可为至少5cm(例如，5-200cm，包括5cm和200cm)，直径(例如，垂直于长度方向的平面中的最大横截面尺寸)为至少5μm(例如，5μm-1mm，包括5μm和1mm和/或至少100μm)，或上述任意组合。通过方法100的上述部分从天然植物材料中提取的脱木素纤维素基大纤维也具有增强的机械性能。例如，脱木素纤维素基大纤维具有至少0.5GPa·cm

回到图1，方法100可以从处理框116进行到判断框118，在此处确定脱木素纤维素大纤维是否应进行一次或多次改性。例如，当植物材料包括支撑部分时，每个大纤维的纵向端部保持偶联到该支撑部分，方法100可以从判断框118进行到处理框122，在此处大纤维从支撑部分被切断(例如，通过切割)。

替代地或另外地，脱木素纤维素大纤维可通过在处理框120处引入一种或多种功能材料进行改性。在一些实施例中，功能材料可引入大纤维的内部微结构或纳米结构中，和/或功能材料可涂覆在大纤维的外表面上。例如，功能材料可以包括但不限于，导电材料(例如，碳纳米管、石墨烯、聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)、银纳米粒子或纳米线、银、铜、氧化铟锡(ITO)、铝掺杂氧化锌(AZO)等)、磁性材料(例如AlNi(Co)、FeCr(Co)、FeCrMo、FeAlC、FeCrCo、PtC等)、压电材料(例如BaTiO

在处理框122的切断和处理框120的改性之后，或者如果在判断框118处不需要改性，则方法100可以进行到判断框124，在此处确定是否应将大纤维与其他材料组合以形成复合材料。在一些实施例中，可在处理框126处用聚合物渗透和/或涂覆大纤维，以形成复合结构。替代地或另外地，在处理框128处，大纤维可嵌入或包封在基质或基材内，以形成复合结构。在一些实施例中，复合结构的基材可以是聚合物或混凝土，以及嵌入的大纤维可以为基材提供增强物。在处理框126、处理框128或两者之后，复合结构中的大纤维含量可为至少0.1wt％(例如，0.5wt％至～80wt％)。

例如，用于复合结构的聚合物(例如，处理框126或处理框128)可以是环氧树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEO)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚丙烯腈(PAN)、聚己内酰胺(PA6)、聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚(丁二酸-co-己二酸丁二酯)(PBSA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)、聚(乙醇酸)(PGA)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、乙烯-乙烯醇(EVOH)、聚(偏二氯乙烯)(PVDC)、聚己二酰间苯二甲胺(MXD6)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乳酸(PLA)、十八烷基三氯硅烷(OTS)、聚八面体倍半硅氧烷(POSS)、对甲基苯乙烯(PMS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯的接枝共聚物(ABSM)、十二烷基三甲氧基硅烷(DTMS)、松香、甲壳素、壳聚糖、protain、植物油、木质素、半纤维素、羧甲基纤维素、醋酸纤维素、淀粉、琼脂、海藻酸，或前述任何组合。例如，用于复合结构的混凝土(例如，处理框128)可以是硅酸盐水泥(Portland cement)、农用混凝土(Agro-concrete)、MgCO

在处理框126的渗透和处理框128的嵌入之后，或者如果在判断框124处不需要复合材料形成，则方法100可以继续进行到处理框130，其中大纤维(或包含大纤维的复合结构)能够进行使用。例如，在一些实施例中，脱木素大纤维可用作独立的结构组件，例如绳索、电缆、湿度激活致动器或弹簧、编织织物等。替代地或另外地，在一些实施例中，可以使用大纤维增强复合材料作为结构材料，例如，在建筑施工、包装、运输工具(例如，汽车、火车、航空航天)、电子外壳、机器人等。根据所公开的技术制造的脱木素大纤维也可用于除具体列出的应用之外的其他应用。事实上，本领域普通技术人员将容易理解，基于本公开的教导，本文公开的脱木素大纤维可适用于其他应用。

尽管方法100的框102-130已被描述为执行一次，但在一些实施例中，在进行下一个判断框或处理框之前，可采用特定处理框的多次重复。例如，处理框108和/或处理框114的洗涤可进行超过一次，为每次迭代提供新的洗涤溶液。此外，尽管方法100的框102-130已单独示出和描述，但在一些实施例中，处理框可组合并一起执行(同时或依次)。此外，尽管图1示出了框102-130的特定顺序，但所公开主题的实施例不限于此。实际上，在某些实施例中，这些框可以以不同于所示的顺序发生，或者与其他框同时发生。

图2A-2D示出了从天然植物材料中提取的脱木素纤维素大纤维的各种配置。在一些实施例中，如图2A所示，可提供单根大纤维200供使用。如上所述，大纤维200可具有至少5cm的长度L(例如，沿着原始植物材料的纵向生长方向延伸)和至少5μm的直径d(例如，5μm至1mm(包括5μm和1mm)和/或至少100μm)。或者，在一些实施例中，可以将多根大纤维200组合在一起以形成结构。例如，如图2B所示，多根大纤维200可以平行排列在一起以形成束阵列202。在这种配置中，阵列202的大纤维可以人为地(例如，使用胶水或环氧树脂)或天然地(例如由于大纤维200的相对表面(facing surface)之间的氢键结合)偶联在一起。或者，阵列202的大纤维200可以相互缠绕，例如，形成绳索或电缆。

在一些实施例中，可以在阵列中排列多根大纤维200。例如，如图2C所示，大纤维200可排列成形成规则的一维(1-D)阵列204。阵列204可以在垂直于大纤维的长度方向的方向上在相邻大纤维之间具有相等的间距。替代地或另外地，如图2D所示，可以将大纤维200排列成形成规则的二维(2-D)阵列206。阵列206可以在平行于一些大纤维的长度方向的第一方向上在相邻大纤维之间具有相等的间距，并且可以在垂直于第一方向的第二方向上在相邻大纤维之间具有相等的间距。第一方向上的间距可以与第二方向上的间距相同或不同。在一些实施例中，阵列206的大纤维200可以例如编织或交织以形成织物。替代地或另外地，可将大纤维排列成形成规则的3-D阵列，例如，通过覆盖多个2-D阵列206和/或通过提供大纤维在垂直于2-D阵列206的平面的第三方向上延伸的另一个2-D阵列。

在一些实施例中，大纤维的1-D、2-D或3-D阵列可与基材组合以形成复合结构。例如，在图3A中，一批310的脱木素大纤维300可通过过程312排列在线性阵列314中。然后，线性阵列314可通过过程316嵌入基材318内或由基材318涂覆，以形成复合结构320。在另一示例中，如图3B所示，的脱木素大纤维的批310可通过过程312以双轴编织图案324进行排列。然后，可通过过程316将双轴编织物324嵌入基材318内或由基材318涂覆，以形成复合结构330。在又一示例中，如图3C所示，脱木素大纤维300的批310可通过过程312以三轴编织图案334排列。然后，可通过过程316将三轴编织物334嵌入基材318内或由基材318涂覆，以形成复合结构340。在又一示例中，如图3D所示，脱木素大纤维300的批310可通过过程312以针织编织物图案344排列。然后，可通过过程316将针织编织物344嵌入基材318内或由基材318涂覆，以形成复合结构350。

根据一个或多个预期实施例，复合材料中的大纤维的其它排列和配置也是可能的。例如，复合材料中的大纤维可以具有随机排列(例如，没有可辨别的顺序或排列)、非规则图案(例如，相邻大纤维之间的间距在整个阵列中变化)、没有间距的图案(例如相邻大纤维的相对表面彼此直接接触)，或任何其他类型的图案或排列。

如上所述，用于任何图3A-3D中基材318的聚合物可以是环氧树脂、PVA、PEO、PA、PET、PBT、PTT、PAN、PA6、PMIA、PPTA、PU、PC、PP、HDPE、PS、PCL、PBS、PBAT、PBSA、PHB、PHBV、PGA、PPy、PTh、PVDF、PVF、EVOH、PVDC、MXD6、PE、PVC、PMMA、ABS、PI、PEI、PLA、OTS、POSS、PMS、PDMS、PEN、ABSM、DTMS、松香、甲壳素、壳聚糖、protain、植物油、木质素、半纤维素、羧甲基纤维素、醋酸纤维素、淀粉、琼脂、海藻酸，或上述的任何组合。或者，任何图3A-3D中的基材318可以是混凝土，例如硅酸盐水泥、农用混凝土、MgCO

在一些实施例中，为了形成复合结构，可将以适当图案排列的大纤维放置在模具中，并且可将处于基本流体状态的基材倒入模具中。固化后，基材可采用基本不动的状态(例如，设置固体)，其中保留有大纤维。在一些实施例中，可通过向模具施加压力、热量或两者来进行固化。替代地或另外地，在一些实施例中，可通过施加真空将基材渗透到大纤维内部和/或周围。例如，图4A示出了用于将基材414(例如，聚合物)真空渗透到脱木素大纤维的排列410中，以形成复合材料418的示例性装置400。真空渗透装置400可包括壳体402，该壳体402具有用于聚合物(或聚合物前体)流入的入口端口404和用于施加真空的真空端口406。在一些实施例中，装置400还可包括符合的真空室408(例如，真空袋)，其将在向端口404施加真空时塌陷。塌陷的真空室408可缩小或消除脱木素大纤维排列410周围的外部体积，从而确保聚合物414在412处流入时，主要渗透大纤维410(例如，代替将大纤维嵌入聚合物中，或至少减小聚合物外表面与嵌入其中的大纤维之间的距离)。一旦在最后阶段416中形成复合材料418，可释放真空并移除复合材料，以进一步固化或使用。

图4B示出了用于执行将基材(例如树脂或其他聚合物)真空渗透到脱木素大纤维中的另一个示例性装置420。例如，脱木素纤维素大纤维的多层426(例如，每层形成为编织织物或垫)可放置在单面光滑的模具430中。堆叠的大纤维层426可由薄的间隔膜(例如，尼龙)覆盖，封装在真空袋428(例如，聚乙烯)中，并紧密密封。然后，可通过施加来自真空泵422的真空压力将树脂从源432引入模具430。真空泵422和模具430之间的树脂捕集器424可以防止树脂在操作期间无意中进入并损坏真空泵422。通过真空压力注入的树脂浸渍并完全渗透纤维素大纤维堆叠，从而形成复合结构，之后可将复合材料移出至热压机以进行树脂的最终固化，例如，压力为13MPa，温度为150℃。

提取的竹纤维

可以通过使用一种或多种化学处理进行脱木素从天然竹子的块中提取纤维素大纤维。图5A示出了处于其自然出现状态的竹节段500的局部剖视图。节段500具有围绕中空内部区域516的秆壁502，中空内部区域516沿着秆壁502的长度被由内部节点隔膜510形成的节点08划分为内部节点区域512。秆壁502具有沿竹节段500的纵向方向528(例如，竹生长方向或基本平行于中空内部区域516所限定的轴的方向)延伸的纤维，其嵌入木质素基质。一个或多个分叉枝(branch stub)514可以从特定的内部节点区域512延伸并且可以用作新的竹节段的秆壁可能从其生长的根部(例如，由此为新的竹节段限定不同的纵向方向)。

在秆壁502内，竹子表现出分级细胞结构，其具有提供营养物质运输的多孔细胞和提供机械支撑的致密细胞。例如，图5B-5D示出了竹节段500的横截面图像，特别是，示出了构成秆壁502的薄壁细胞522、导管524和纤维束或大纤维526的微观结构。大纤维526高度对齐，并基本平行于纵向方向528延伸，而薄壁细胞522可平行或垂直于纵向方向528。这些大纤维526特征在于具有厚细胞壁，其由对齐的半结晶木质纤维素微纤维(例如图6A的详细视图616中的528)组装而成。例如，微纤维的平均直径为～12μm，长宽比为150～200。这些微纤维由紧密堆积的纤维素纳米纤维组成(例如，图6A的详细视图616中的530)。纤维素纳米纤维具有在交替的无定形和高度有序(例如，结晶)区域中排列的重复的纤维素聚合物链532，形成竹纤维素大纤维526的基本结构元件。

在竹子生长期间，大量木质素被生物合成并沉积在实心的大纤维526和多孔薄壁细胞522之间的细胞角隅区域，通过大量共价键和氢键形成紧密结合的界面。因此，竹子的刚性的大纤维526(例如，具有～25.6GPa的弹性模量)嵌入中空的薄壁细胞522(例如，～3.7GPa的弹性模量)的基质中，并且大纤维526和细胞522通过由木质素和半纤维素组成的天然聚合物基质粘合在一起。这种结构使得很难从竹中物理分离出大纤维，而不会损伤它们并产生明显的缺陷。这种损伤/缺陷导致相对较低的拉伸强度，例如，～300MPa。

图6A示出了通过脱木素提取完整的竹大纤维。在脱木素之前，天然竹600在宏观尺度纤维束526内表现出宏观尺度导管524、中观尺度薄壁细胞和微观尺度微纤维528的细胞层次结构。将微纤维528连接到薄壁细胞的木质素-半纤维素基质602可通过脱木素604溶解或分解，从而释放完整的纤维素大纤维526。在提取过程中，过氧化甲酸用作温和的脱木素处理，选择性地分解木质素/半纤维素粘合剂602以及薄壁的薄壁细胞，从而使几乎实心的纤维素大纤维素在几乎没有机械损伤的情况下分离。然而，如上所述，可以使用其他化学品进行脱木素。特别是，在脱木素过程中，过氧化甲酸选择性地与疏水性木质素反应并溶解疏水性木质素，导致薄壁细胞分解并自然地与纤维素大纤维608分离(例如，在水中短暂洗涤处理过的竹茎后)。处理后，脱木素纤维素大纤维608的天然结构得到很好的保存，如606所示，而选择性脱木素的薄壁细胞在随后的洗涤步骤中被去除，从而能够从单个竹茎中快速分离出数千根高强度的纤维素大纤维608。

脱木素后，可将提取的脱木素大纤维进行空气干燥610，由此由水蒸发产生的毛细力将组成的纤维素微纤维528及其纳米纤维一起塌陷。这种塌陷导致具有缩小的尺寸的致密纤维素大纤维结构。例如，通过简单的空气干燥，可以提取更致密的大纤维，同时减少结构缺陷，提高结晶度(从～42％至～65％)和纳米纤维对齐指数(从0.91到0.93)。所得大纤维表现出高达2.2GPa的拉伸强度和高达120GPa的杨氏模量。大纤维内的纤维素纳米纤维的结晶度和取向有助于大纤维的纵向刚度和强度。

在制造的示例中，将高度为17cm、直径为5.8cm且壁厚为0.9cm的竹茎浸泡在过氧化甲酸溶液中，并在50℃的温和温度下加热12小时。如图6B所示，竹茎的一部分618被保留在过氧化甲酸溶液外部，以用作浸没在溶液中的竹茎的部分620的支撑(support)。溶液通过竹子内腔和凹坑迅速扩散到整个材料中，使过氧化甲酸产生的羟基(HO·)和超氧阴离子(O

利用扫描电子显微镜(SEM)研究了竹茎在化学脱木素过程中的显微结构变化。在天然竹600中，特征为具有厚壁的实心的大纤维526嵌入具有薄壁的中空蜂窝状薄壁细胞522的基质中，如图6F-6G所示。然而，脱木素处理10小时后，薄壁细胞522逐渐开始与大纤维526分离，如图6H所示，而大纤维526中对齐的微纤维的有序结构保持不变，如图6I所示。处理后，刚性的大纤维526保持完整并沿纵向纤维轴对齐，而由于结缔的木质素基质的损失，薄壁细胞522被显著去除。特别是，羟基(HO·)和超氧阴离子(O

脱木素过程完成后，分离的大纤维随后的空气干燥产生毛细张力，导致组成的纤维素纳米纤维一起塌陷。因此，纤维素大纤维614在纤维素大纤维的横截面中表现出约10-12％的体积收缩，从而形成更致密的结构，可促进更高数量的氢键和更大的范德华相互作用。还应注意，脱木素纤维素大纤维在干燥后保持其高度有序的结构，其中紧密堆积的纤维素纳米纤维沿纵向对齐，没有明显的缺陷或分离。此外，通过调整反应条件，可以同时处理多个竹茎，以分离出各种应用所需长度的纤维素大纤维。

在另一个制造的示例中，将茎高17cm、直径5.8cm且壁厚0.9cm的5年龄的竹子(桂竹)进行脱木素处理。将生竹秆切成不同长度的单个茎(无节点)，并在水中煮沸1小时，以去除水溶性有机物和任何残留的空气。然后使用10v/v％过氧化甲酸溶液(由30％过氧化氢和甲酸以1:1的摩尔比的混合物合成，并添加1wt％硫酸作为催化剂)对竹茎进行脱木素。在50℃下将竹茎浸泡在过氧化甲酸中12小时，然后将竹茎用0.5wt％氢氧化钠溶液中和5-10分钟。随后用去离子水洗涤竹茎几次，以去除化学物质，并将薄壁细胞从纤维素大纤维分离。然后将处理过的竹子在室温下干燥24-48小时，直到水分含量低于5wt％。

在偏振光下，从竹子中提取的所得脱木素纤维素大纤维显示出明亮的双折射，如图7A-7B所示，这表明无定形半纤维素和木质素的均匀去除以及纤维素微纤维的对齐和结晶度。这表明构成这些大纤维的纤维素分子链也是有序的。为了进行比较，使用机械提取方法(即不使用脱木素处理)从竹茎中分离木质纤维素大纤维。与化学分离的大纤维不同，由于无定形木质素和半纤维素的存在，机械提取的大纤维在偏振光下显示出深色表面，如图7C-7D所示。脱木素纤维素大纤维也比机械提取的大纤维密度更高，例如，脱木素大纤维的密度为1.45g/cm

为了比较两种大纤维样品中纤维素纳米纤维的对齐，使用2D-WAXS模式中沿(200)晶体反射的赤道方向的衍射强度计算其取向指数(f

材料的结晶指数也基于2D-WAXS结果中无定形和结晶纤维素的积分拟合强度(integrated fitted intensity)之比计算。与机械提取的大纤维(42.4％)相比，脱木素纤维素大纤维表现出更高的结晶指数(64.9％)。使用小角度X射线散射(SAXS)表征组成纳米纤维的纤维素链的分子对齐。与机械提取的大纤维相比，其显示出菱形图案，条纹垂直于赤道和子午线条纹，脱木素纤维素大纤维的SAXS分析显示出更强的赤道条纹散射图案，表明沿着和贯穿纤维轴的对齐良好的结晶纤维素。这种紧密堆积、高度对齐和高结晶度的纤维素结构可以实现高强度大纤维。

根据ASTM D3379-75标准试验方法对脱木素纤维素大纤维的拉伸机械性能进行表征。20根计量长度为2-cm的脱木素纤维素大纤维的拉伸试验显示出相似的应力-应变曲线，证明了材料的一致性。载荷下的应力-应变行为在达到断裂应力之前近似为线性弹性，平均拉伸强度为1.90±0.32GPa，杨氏模量为91.3±29.7GPa，如图8A-8B所示。如图8B所示，这些拉伸强度和杨氏模量的值分别是天然竹茎原料的7.2倍和6.2倍。此外，脱木素纤维素大纤维的拉伸应变为2.67％(比天然竹茎高～2倍)。如图8C所示，当与高拉伸强度结合时，这导致29.9MJ m

机械提取的大纤维对照显示出明显较差的机械性能，其拉伸强度为560±200MPa，杨氏模量为49.3±5.6GPa，如图8A-8B所示。可能导致较差机械性能的因素之一可能是机械除颤(defibrillation)期间产生的内部损伤(例如，原纤维的微裂纹)。此外，由于结晶纤维素的杨氏模量(例如，110-220GPa)比无定形木质素和半纤维素(例如，6GPa和8GPa)高得多，机械提取的大纤维的不同组成结构也导致其与脱木素纤维素大纤维相比较差的机械性能。

拉伸试验后，还可以从断裂表面观察到竹纤维素大纤维中纤维素纳米纤维的良好对齐，证实了通过紧密层压的纤维素纳米纤维通过增强的粘合界面的增强机制。相比之下，对照机械提取的大纤维中的纳米纤维仍被木质素和半纤维素覆盖，这将干扰组成纳米纤维之间的界面粘合。因此，紧密的脱木素纤维素大纤维由致密且高度对齐的纤维素纳米纤维组成，其高结晶度为～65％，小的微纤维角为7.2°，表现出远优于机械提取的大纤维的机械性能，机械提取的大纤维的低结晶度为～42％，较大的微纤维角为9.3°。

在另一个制造的示例中，将长度为170mm、直径为60mm、细胞壁厚度为8mm的天然竹秆在70℃下在NaOH(10wt％)和Na

使用提取的竹纤维形成的复合材料

采用化学处理和机械压制相结合的方法，制造了机械性能提高的脱木素竹纤维增强聚合物复合材料。例如，将节间长度为30cm的48月龄的竹秆在含有亚硫酸钠NaOH(2.5molL

在另一个制造的示例中，将节间长度为30cm的48月龄的竹秆在含有NaOH(2.5molL

在另一个制造的示例中，脱木素纤维素大纤维用于制造竹纤维增强聚合物复合材料(BFRC)。例如，如图9A所示，将～1000根脱木素纤维素大纤维902编织成斜纹织物垫900。在织物垫中，大纤维在正交方向上以对齐的结构交织且没有缠结。然后通过真空辅助树脂转移模塑(例如，使用如上关于图4B所述的装置和过程)用环氧树脂浸渍织物垫。脱木素纤维素大纤维对环氧树脂具有高表面能量，从而能够实现高界面结合强度。例如，当环氧树脂的微滴直接施加在单根纤维素大纤维上时，观察到～38°的接触角，表明树脂具有良好的润湿性。润湿性可归因于在脱木素纤维素大纤维表面暴露的大量羟基。树脂注入过程后，复合材料进一步压缩并热固化。例如，图9B示出了由浸渍在固化树脂中的两片正交编织(0/90)竹纤维素大纤维组成的BFRC产品904。BFRC 904沿水平和垂直(X和Y)方向的拉伸强度均为～350±28MPa，如图9C所示。

提取的草纤维

天然草特征在于具有由中空的导管1008和薄壁细胞1006以及沿纵向生长方向延伸的纤维1010组成的异质结构1004，如图10C-10D所示。在该结构中，多孔的导管1008和薄壁细胞1006主要负责运输水和营养物质，而纤维素纤维1010主要提供结构支撑。在植物内部，这些组分被木质素和半纤维素粘合在一起，形成完整的结构。虽然对活植物来说是必不可少的，但多孔的导管和薄壁细胞在用作结构材料时会作为缺陷，从而降低天然草的机械性能。因此，纤维1010可以从天然草中化学提取，以用作单独的结构材料。

在制造的示例中，将唐菖蒲叶1000(图10A)浸泡在水中过夜，之后通过将湿的叶子在NaOH和Na

在另一个制造的示例中，使用了长度为100cm的唐菖蒲叶。将长唐菖蒲叶在70℃在含NaOH(10wt％)和Na

脱木素后，将所得唐菖蒲大纤维在50℃的烘箱中干燥。所得木质纤维素大纤维长～1m，具有由规则堆叠且紧密结合的纤维素微纤维组成的致密结构。在更精细的尺度上，许多平行于纤维轴取向对齐的纳米纤维构成了微纤维。从草中获得的木质纤维素纤维可以具有优异的机械性能，例如，拉伸强度高达1170MPa，其远高于原始草的60MPa。由于去除了中空的导管和薄壁细胞，以及无定形半纤维素和木质素，所得木质纤维素纤维表现出1.31gcm

采用拉伸试验研究了从天然草中提取的木质纤维素大纤维的机械性能。如图12所示，与天然草相比，木质纤维素大纤维表现出更高的最大力和相似的断裂伸长率。木质纤维素大纤维表现出1.07GPa的拉伸强度和89.8GPa的杨氏模量，分别是原始天然草的16倍和18倍。木质纤维素大纤维还表现出大于0.75GPa cm

木质纤维素大纤维的对齐的微结构有助于增强机械性能。特别是，纤维素原纤维在微观尺度和纳米尺度上都紧密堆积并互锁，这可以增强它们之间的界面结合(例如，范德华力和氢键)。一旦加载了外力，所有原纤维一起承受拉伸应力，这也会导致智能(smart)纤维素纤维结构的均匀断裂。此外，致密的单向纤维可以有效地传递和分散应力，从而实现木质纤维的超强机械性能。

在另一个制造的示例中，使长度为100cm的天然草叶1102的块(图11A)经受不同的脱木素条件。在图11B中，草叶1102仅部分脱木素，1104表示部分脱木素后但在漂洗之前的叶，以及1106表示部分脱木素后和漂洗之后的叶。在图11C中，草叶1102已经完全脱木素(例如，去除≥90％木质素)，1108表示完全脱木素后但在漂洗之前的叶，以及1110表示完全脱木素后和漂洗之后的叶。

使用提取的草纤维形成的复合材料

如上所述，从草中提取的木质纤维素大纤维可以表现出相对较强的机械性能，这有助于制造高强度复合材料。在制造的示例中，木质纤维素草纤维用作制备高性能聚合物复合材料的增强材料。特别是将10cm草在含有NaOH(2mol L

在另一个制造的示例中，将15cm的草在含有NaOH(2.5mol L

功能化提取的纤维

脱木素纤维素大纤维以3mm/min的速度通过浸渍涂布聚吡咯溶液10次进行改性。将聚吡咯浸渍涂布的大纤维在80℃下干燥6小时，得到导电功能性大纤维。

在另一个示例中，脱木素纤维素大纤维在ZnO前体溶液中浸泡5小时。处理结束后，从溶液中缓慢取出大纤维，并在室温下静置30分钟。然后将所得大纤维在80℃下干燥6小时，然后缓慢冷却。最后，在大纤维表面生长ZnO颗粒，得到具有光催化功能的ZnO涂覆的大纤维。

鉴于所公开主题的上述实施，本申请在下文列举的条款中公开了附加的示例。应注意的是，单独的条款的一个特征，或组合的条款的多个特征，以及可选地，与一个或多个其他条款的一个或多个特征组合，也属于本申请公开范围内的其他示例。

条款1.一种工程植物材料，其包括一种或多种基本上脱木素的纤维素基纤维，其完整地从天然植物材料的块中的木质素和半纤维素基质中化学提取。

条款2.一种复合材料，其包括：

多根基本上脱木素的纤维素基纤维，每根纤维素基纤维都是完整地从各自的天然植物材料的块中的木质素和半纤维素基质中化学提取的；以及

渗透每根纤维素基纤维的聚合物。

条款3.一种复合材料，其包括：

结构基质；以及

设置在所述结构基质内的多根基本上脱木素的纤维素基纤维，每根纤维素基纤维都是完整地从天然植物材料的相应的块中的木质素和半纤维素基质中化学提取的。

条款4.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款3，其中所述结构基质包括聚合物或混凝土。

条款5.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款2和条款4中的任一项，其中所述聚合物包括环氧树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEO)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚丙烯腈(PAN)、聚己内酰胺(PA6)、聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚(丁二酸-co-己二酸丁二酯)(PBSA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)、聚(乙醇酸)(PGA)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、乙烯-乙烯醇(EVOH)、聚(偏二氯乙烯)(PVDC)、聚己二酰间苯二甲胺(MXD6)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乳酸(PLA)、十八烷基三氯硅烷(OTS)、聚八面体倍半硅氧烷(POSS)、对甲基苯乙烯(PMS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯的接枝共聚物(ABSM)、十二烷基三甲氧基硅烷(DTMS)、松香、甲壳素、壳聚糖、protain、植物油、羧甲基纤维素、醋酸纤维素、淀粉、琼脂、海藻酸，或前述任何组合。

条款6.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款4-5中的任一项，其中混凝土包括硅酸盐水泥、农用混凝土、碳酸镁(MgCO

条款7.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款2-6中的任一项，其中复合材料中的多根纤维素基纤维的含量为至少0.1wt％。

条款8.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-7中的任一项，其中天然植物材料是禾本目中的物种。

条款9.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-8中的任一项，其中天然植物材料是禾本科中的物种。

条款10.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-9中的任一项，其中天然植物材料是天然草。

条款11.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-10中的任一项，其中天然植物材料包括竹子、芦苇、甘蔗、玉米、小麦、大米、黄麻、大麻、红麻、苎麻、香蕉、玉米、小麦、大米、玫瑰茄、藤、高粱、剑麻、棕榈、赫纳昆(henequen)、马尼拉、菠萝、curaua、丝兰、卡布亚(cabuya)、露兜树、蕉麻、唐菖蒲或龙舌兰。

条款12.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-11中的任一项，其中每根纤维素基纤维的长度为至少5cm和/或在垂直于长度方向的平面内的最大横截面尺寸为至少5μm。

条款13.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-12中的任一项，其中每根纤维素基纤维的长度在5cm至200cm之间，包括5cm和200cm。

条款14.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-13中的任一项，其中每根纤维素基纤维的最大横截面尺寸(本文中也称为直径)在5μm至1mm之间，包括5μm和1mm。

条款15.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-14中的任一项，其中每根纤维素基纤维的最大横截面尺寸为至少100μm。

条款16.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-15中的任一项，其中每根纤维素基纤维具有至少0.5GPa·cm

条款17.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-16中的任一项，其中每根纤维素基纤维具有至少70wt％(例如，≥85wt％)的纤维素含量、小于或等于10wt％(例如，≤6wt％)的半纤维素含量、小于或等于10wt％(例如，≤4wt％)的木质素含量，或上述的任何组合。

条款18.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-17中的任一项，其中每根纤维素基纤维具有小于或等于10wt％(例如，≤5wt％)的水分含量。

条款19.本文任何条款或示例所述的材料，特别是条款1-18中的任一项，其进一步包括在每根纤维素基纤维上或在每根纤维素基纤维内提供的导电添加剂、磁性添加剂、压电材料、刺激响应材料、催化材料，或上述的任何组合。

条款20.一种方法，其包括：

(a)对天然植物材料的块进行一种或多种化学处理，以便从中基本上去除所有木质素；和

(b)在(a)之后，从经化学处理的块中提取多根彼此分离的基本上脱木素的纤维素基纤维。

条款21.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20，其中(b)包括在溶液中搅拌经化学处理的块。

条款22.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-21中的任一项，其中所述一种或多种化学处理中的至少一种包括部分或完全浸没在一种或多种化学溶液中。

条款23.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-22中的任一项，其中所述一种或多种化学溶液包括碱性溶液。

条款24.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款22-23中的任一项，其中所述一种或多种化学溶液包括氢氧化钠(NaOH)、氢氧化锂(LiOH)、氢氧化钾(KOH)、亚硫酸钠(Na

条款25.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-24中的任一项，其中在(b)之后，所述多根纤维素基纤维保持附着在天然植物材料的基部，并且所述方法进一步包括从基部切断纤维素基纤维。

条款26.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-25中的任一项，其进一步包括：

(c)在(b)之后，干燥所述纤维素基纤维以使水从每根纤维素基纤维蒸发导致其致密化。

条款27.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款26，其中(c)的干燥包括暴露于空气或气流、暴露于停滞体积的空气或气体、暴露于真空、暴露于室温、加热至温度高于室温，或其任何组合。

条款28.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款26-27中的任一项，其中，在(c)之后，每根纤维素基纤维具有10wt％或更低(例如，≤5wt％)的水分含量。

条款29.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款26-28中的任一项，其中(c)之后的每根纤维素基纤维的体积比(c)之前的每根纤维素基纤维的体积小至少10％。

条款30.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-29中的任一项，其中(a)包括：

(a1)将天然植物材料的块的至少第一部分浸没在第一溶液中，以去除浸没的第一部分中的一些木质素；和

(a2)在(a1)之后，将至少第一部分浸没在第二溶液中，以去除浸没的第一部分中的剩余木质素。

条款31.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款30，其中，在(a1)之后和(a2)之前，用水洗涤至少第一部分，以去除第一溶液的残余物。

条款32.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款30-31中的任一项，其中所述第一溶液包括过氧化甲酸(CH

条款33.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款30-32中的任一项，其中第二溶液包括氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)。

条款34.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款30-31中的任一项，其中所述第一溶液包括氢氧化钾(KOH)和亚硫酸钠(Na

条款35.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款30-32和条款34中的任一项，其中第二溶液包括过氧化氢(H

条款36.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-35中的任一项，其进一步包括将聚合物渗透到每根纤维素基纤维中以形成复合材料。

条款37.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-36中的任一项，其进一步包括将每个纤维素基纤维嵌入结构基质中以形成复合材料。

条款38.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款37，其中结构基质包括聚合物或混凝土。

条款39.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款36-38中的任一项，其中所述聚合物包括环氧树脂、聚乙烯醇(PVA)、聚乙二醇(PEO)、聚酰胺(PA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)、聚丙烯腈(PAN)、聚己内酰胺(PA6)、聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)、聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚氨酯(PU)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚苯乙烯(PS)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚(丁二酸-co-己二酸丁二酯)(PBSA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)、聚(乙醇酸)(PGA)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、乙烯-乙烯醇(EVOH)、聚(偏二氯乙烯)(PVDC)、聚己二酰间苯二甲胺(MXD6)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯亚胺(PEI)、聚乳酸(PLA)、十八烷基三氯硅烷(OTS)、聚八面体倍半硅氧烷(POSS)、对甲基苯乙烯(PMS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯的接枝共聚物(ABSM)、十二烷基三甲氧基硅烷(DTMS)、松香、甲壳素、壳聚糖、protain、植物油、羧甲基纤维素、醋酸纤维素、淀粉、琼脂、海藻酸，或前述任何组合。

条款40.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款38-39中的任一项，其中所述混凝土包括硅酸盐水泥、农用混凝土、碳酸镁(MgCO

条款41.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款36-40中的任一项，其中所述复合材料中的多根纤维素基纤维的含量为至少0.1wt％(例如，至少0.5wt％)。

条款42.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-41中的任一项，其中所述天然植物材料是禾本目中的物种。

条款43.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-42中的任一项，其中所述天然植物材料是禾本科中的物种。

条款44.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-43中的任一项，其中所述天然植物材料是天然草。

条款45.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-44中的任一项，其中所述天然植物材料包括竹子、芦苇、甘蔗、玉米、小麦、大米、黄麻、大麻、红麻、苎麻、香蕉、玉米、小麦、大米、玫瑰茄、藤、高粱、剑麻、棕榈、赫纳昆、马尼拉、菠萝、curaua、丝兰、卡布亚、露兜树、蕉麻、唐菖蒲或龙舌兰。

条款46.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款26-45中的任一项，其中，在(c)之后，每根纤维素基纤维的长度为至少5cm和/或在垂直于长度方向的平面上的最大横截面尺寸(例如直径)为至少5μm。

条款47.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款46，其中在(b)之后的每根纤维素基纤维的长度在5cm至200cm之间，包括5cm和200cm。

条款48.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款46-47中的任一项，其中在(b)之后的每根纤维素基纤维的最大横截面尺寸(例如直径)在5μm和1mm之间，包括5μm和1mm。

条款49.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款46-48中的任一项，其中在(b)之后的每根纤维素基纤维的最大横截面尺寸为至少100μm。

条款50.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款26-49中的任一项，其中，在(c)之后，每根纤维素基纤维具有至少0.5GPa·cm

条款51.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款26-50中的任一项，其中，在(c)之后，每根纤维素基纤维具有至少70wt％(例如，≥85wt％)的纤维素含量、小于或等于10wt％(例如，≤6wt％)的半纤维素含量、小于或等于10wt％(例如，≤4wt％)的木质素含量，或上述的任何组合。

条款52.本文任何条款或示例所述的方法，特别是条款20-51中的任一项，其进一步包括在每根纤维素基纤维上或在每根纤维素基纤维内提供的导电添加剂、磁性添加剂、压电材料、刺激响应材料、催化材料，或上述的任何组合。

条款53.通过本文任何条款或示例所述的方法形成的工程植物材料，特别是条款20-52中的任一项。

条款54.通过本文任何条款或示例所述的方法形成的复合材料，特别是条款20-52中的任一项。

关于图1-12和条款1-54所示或所述的任何特征可以与关于图1-12和条款1-54所示或所述的任何其他特征结合，以提供未在本文另行说明或具体描述的材料、方法、装置和实施例。本文所述的所有特征彼此独立，并且除结构上不可能的情况外，可与本文所述的任何其他特征结合使用。

鉴于可应用所公开技术的原理的许多可能实施例，应认识到所示实施例仅为优选示例，不应被视为限制所公开技术范围。相反，范围由以下权利要求所限定。因此，我们请求保护所有属于这些权利要求的范围和精神的内容。