汉麻开疆:汉麻综合利用技术研发纪实(学科篇)

2010-11-09 09:25 来源: 科学时报
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  中共中央总书记、国家主席、中央军委主席胡锦涛视察汉麻初加工基地

  历史上,作业中华文明象征的丝绸行销世界的同时,中国文化也作为优秀文化向世界散播。

  时光的脚步跨入公元2010年,中国创造的全新的汉麻面料以独特的科技魅力走向世界,向世界传递着不断前行的中国文化内涵。

  昔日只能制作麻绳、麻袋等粗糙制品的汉麻,在中国科技工作者手中凤凰涅槃般变成各种军用服装、高档服饰的原料,摆上世界时装之都的意大利展台。

  2010年10月初,被誉为“中国汉麻第一人”、“汉麻将军”的总后勤部军需装备研究所副所长张建春率领汉麻代表团访问意大利,擂响了中国汉麻走向世界的战鼓,也启动了中国汉麻改变世界纺织结构的开疆征程。

国防和地方需求催生汉麻研究

  上世纪70年代末,我国南方边境战事犹酣。当时部队军装大部分是的确良面料,不透气,由于气候潮湿,许多官兵患有脚气、股癣、烂裆等疾病,有些部队患病率竟高达90%,直接影响着指战员的身心健康和战斗力。多年来,寻找适合军用服装的新型纺织纤维材料一直是军需装备科研人员的一项重大课题。

  经过大范围筛选和调查,汉麻以其奇特的性能,逐渐进入科研人员的视野。汉麻是一年生草本植物,一般生长期为100~120天,种植简单,生长迅速,在我国各地均可大面积种植,特别适合于山坡地、荒地、盐碱地等贫瘠土壤种植。汉麻纤维独有的抗菌防臭、耐腐蚀、防紫外、吸湿快干、吸波消音等特性,让科研人员喜上眉梢。正巧,2003年云南省将汉麻列为继烟草、糖、茶、矿产、水电、花卉之后的第七大支柱产业,请求总后勤部提供汉麻综合利用方面的技术支持。

  国防军需装备的需求,地方经济建设的需要,总后勤部部长廖锡龙将此任务交给了总后勤部军需装备研究所,并确定由军队高分子研究领域学术技术带头人、总后军需装备研究所高级工程师张建春作为项目首席科学家。

  “保证完成好首长交代的任务。我们是军队的科研机构,我们的使命就是要围绕部队急需搞科研,为战斗力生成作贡献。”张建春义无反顾立下军令状。2003年10月,打响了汉麻综合利用技术研究的攻坚战。

  汉麻是人类最早使用的纺织纤维原料之一,曾有“国纺源头,万年衣祖”美誉。考古资料显示中国最早驯化种植和利用汉麻,距今约5000~6000年。但随着棉花的广泛种植和化学纤维的兴起,汉麻的种植和利用逐渐萎缩,相关研究也少人问津。

  接到任务后,张建春带领研究人员北上黑龙江、南下海南岛行程上万公里,重新对汉麻进行了全方位、大尺度、详实周密的调研筛查。这种古老的经济作物浑身是宝,通过技术创新可以实现汉麻的综合利用,不仅可以为军队提供高性能的后勤装备,还可以提高老少边穷地区农民的收入,项目符合国家的绿色环保、循环经济和可持续发展战略,对建设资源节约型、环境友好型社会和建设社会主义新农村将产生积极的推动作用。

  张建春和科研团队在几年的研究中不断有新发现:汉麻的皮、秆、籽、根、叶、花六大部分具有极高的开发利用前景。首先,汉麻韧皮纤维的产量每亩可达100公斤以上,比棉花高50%并且不需使用农药。从汉麻韧皮纤维中获取的纤维是一种具有天然色泽的高品质的天然纤维素纤维,汉麻纤维制成的纱线、服装及各类饰品具有拉伸强度高、保形性好、吸湿性好、抗菌和抗静电能力强、对染料的吸附性好、防紫外线辐射能力强、吸波消音等独特性能。

  其次,汉麻秆芯是极佳的木材替代品。汉麻生长迅速,100天生长期的生物产量与速生杨树相当。采用现代加工技术,可将汉麻秆芯制成高档文化用纸、现代木塑产品,从而大大减少木材的使用量。汉麻秆芯还可用来生产超微粉,作为化工原料用于人造革、涂层布的生产,极大改善其防水透湿性能。以汉麻秆芯为原料,可制作新一代木质防弹陶瓷,防护能力高、重量轻。汉麻秆芯生产的活性炭,因其特有的蜂巢结构具有比普通活性炭高3倍的比表面积,因此吸附能力更强。

  同时,汉麻籽是食品用天然优质原料,汉麻籽仁中不仅含有丰富的人体必需脂肪酸和优质蛋白质,而且脱壳制油后获得的麻仁蛋白质中,含粗蛋白57.1%,含氨基酸总量为50.8%,其中人体必需氨基酸的含量高达47.1%,属于“效价均衡的优质完全蛋白”,并含有其他多种天然生物活性成分,是现代纯天然性植物蛋白食品中功能性有效成分含量最高和均衡的功能性植物蛋白的重要代表。提取优质保健食品油后的残余油脂,还可用于各种化妆品的生产和生物柴油的合成。

  汉麻叶、花的提取物是很好的医药原料。国内外大量的营养学和医学研究证实,采用从汉麻籽和汉麻叶、花中提取的多种功能性成分制成的食品或药品,可以提高人体免疫力,并对艾滋病消瘦症、癌症化疗、青光眼、哮喘病、偏头痛、神经疼痛等有良好的治疗作用。

  “汉麻种植拥有可观的经济效益。最近几年的种植实践表明,农民种植一亩汉麻,可实现1000元左右的收益。经纤维提取、秆芯加工、麻籽榨油、根和叶中提取自然化合物等初步加工,可实现5000元左右的产值。再制成服装、建材、保健品、药品、纸张等产业产品,其产值可达1万元。因此可以说,汉麻是一种极具开发前景的传统农业经济作物,对它的综合利用研究可以形成一个以特色农业为基础,以新型工业化综合开发利用为主体的新兴绿色产业。”汉麻,在张建春的眼中是一座取之不尽用之不竭的宝藏。

组建世界第一家汉麻研究机构

  汉麻是一种生命力很旺盛的植物,主要包括纤维用麻、药用麻和野生麻三大类。中国是世界上第一个栽培和使用汉麻的国家,不同地区对汉麻也有不同的称谓,东北称为线麻,山东称为火麻,安徽称为寒麻,甘肃称为胡麻,云南称为大麻。

  大麻因其中所含THC(四氢大麻酚)成分,可以导致人体产生精神迷幻作用,大麻也一度被作为毒品作物受到控制。近年来,随着人们对大麻作物的认识和科学技术的发展,国际上已允许栽培THC含量低于0.3%的低毒或无毒品种,并将其称为工业大麻,目前全世界有29个国家种植工业大麻。

  随着研究的逐步深入,张建春赋予工业大麻一个全新的名字——“汉麻(CHINA-HEMP)”。麻的发源地在中国,是中国土生土长的一种麻,因此取其产自中国、中国创造的含义。这为汉麻的科研、产业发展及走出国门奠定了良好的基础,张建春也随之成为汉麻的首创者。

  2005年,总后勤部给汉麻项目组下达了“天然韧皮纤维在军需被服装具上的应用研究”科研计划。2006年,总后勤部又下达了“汉麻材料在后勤装备上的应用研究”全军后勤科研计划。

  为了把汉麻研究更加系统深入地开展下去,2006年3月,总后勤部批准成立了军用汉麻材料研究中心。曾主持、完成多项跨学科大型研究项目的军需装备研究专家张建春任中心主任。中心下设四个研究室,分别为纤维结构性能研究室、复合防弹材料研究室、生物抗菌研究室、核生化防护研究室,从基础研究出发,以综合利用为目标,全面开展汉麻综合利用工艺技术、设备研发和应用研究。

  军用汉麻材料研究中心也因此成为世界上第一家汉麻研究机构。

让传奇植物穿越历史焕发新生

  汉麻曾是历史上人类所需纤维和食品的重要来源,被广泛应用于绳索、帆布、纺织服装、纸张、食品和油料等,对航海、军事、经济和社会发展作出了不可磨灭的贡献。随着棉花的广泛种植和棉花加工技术的发展,合成纤维的出现以及石油化工技术、木浆造纸技术的进步,汉麻的种植和利用逐渐萎缩。加上20世纪60年代的毒品问题和人们对汉麻作物毒性问题认识上的误区,汉麻在国际上被许多国家列为禁止种植的作物,汉麻的作用也逐渐被人们所淡忘。

  进入20世纪90年代以来,以资源消耗和环境问题为代价的现代工业发展所带来的种种问题凸显出来,社会的可持续发展和资源的合理利用受到世界各国的普遍关注。中国是农业大国,土地资源、纤维资源、木材资源、石油资源紧缺,“三农”问题突出,在这样的国际和国内环境下,大力发展汉麻产业有着特别的科技、经济和社会意义。

  作为汉麻研究开发的领军人,张建春从汉麻研究项目开始之初就强调:“汗麻研究必须要做到利国利军利民。为国家解决资源,为军队解决装备,为老百姓提供脱贫致富之路。汉麻在纺织、食品、医药、造纸、建材等领域的应用前景广阔,我们就是要通过新技术、新工艺的使用,积极推动汉麻综合利用,使这一神奇的经济作物焕发新生。”

开创汉麻综合利用学科

  近年来,汉麻作为传统经济作物,由于缺少开发,种植面积无法与粮食等主要作物相比。汉麻的育种和种植多年来几乎未得到任何投入,因此各地的汉麻种植基本都处于放任自流的状态。到2006年底,在公安部门备案的低毒汉麻品种仅有“云麻一号”,其种植区域也仅限云南省,其他各地种植的基本都是当地农家品种。由于缺乏育种技术、种植水平低、品质不均,汉麻的工业开发和深加工遇到了诸多难题。

  汉麻的研究只能从种植、育种开始,从种植技术寻找突破口。张建春领衔多位专家以卧薪尝胆的精神开始了艰辛的品种试植,科研人员在全国的12个省几十个县市进行了多个品种的试验。

  科研人员首先研究了汉麻品种的适种性问题,在广袤的大地摆开战场。“其实,汉麻的适应性特别强,除了漠河以外全国都能种,北边一直可以种到黑河,南到海南岛,西边到西藏、新疆,内蒙古的路边都有野生的汉麻。”

  他们找来全世界的品种进行试种,包括加拿大的品种、“云麻一号”等。试植结果发现,加拿大的品种在辽宁以南地区便会早熟, “云麻一号”在北方长势反而很好。他们还探索了汉麻的种植密度问题。科研人员发现,想得到不同的纤维和产量,与种植密度和种植技术有很大关系。如果只想得纤维,就要种得密一些,这样麻皮的含量高但是产量会有所下降;如果只想得到麻籽就种植稀疏一点;如果想兼用就不能种植过密,这样秆茎相对较粗且不分岔。

  同时,摸清了不同地域土地的种植情况。黑龙江的北安地区,因坡地种植所以不蓄水,只要水量足够长势就非常好;云南的雨水多,所以要注意涝的问题。北安地区是黑土,云南是红土,土壤的不同种植效果差异很大。

  科研人员还有效解决了汉麻品种问题。我国本土的汉麻是雌雄异株,最大的缺点是雄株早熟,雌雄株不能同时收割。国外品种有的雌雄同株,品质抑制性就比较好。科研人员经过艰苦的摸索,终于完成了对汉麻品种的改良。

  “种植试验从2003年开始,军用汉麻研究中心与多个省的农业科技部门合作,这就需要制定一个很好的种植技术规范,否则种植出来的纤维品质就差别很大。”张建春和项目组成员先后研究了汉麻的种植技术,包括汉麻的生长条件、播种、耕作、田间管理、病虫害管理等,同时重点研究了汉麻的种类、种质资源、优良品种、传统改良育种和生物技术育种技术。

  2005年,张建春汉麻项目组主办了全国汉麻种植技术会议,12个省、市、自治区纷纷派代表参加,云南省的西双版纳、宝山、冰川、红河,东北地区的黑龙江、吉林、辽宁,西部的青海、宁夏、甘肃,中部河南、山东、安徽等地代表都到会作了报告。经过几年的顽强拼搏,汉麻种植试验结出丰硕的果实。

  在开展汉麻种植研究的同时,军用汉麻材料研究中心联合国内有关科研院所,对汉麻加工的多项技术研究进行了大量艰苦细致的探索。

  “农民田里成千上万亩的汉麻怎样变成工业原料?这个解决不了,汉麻研究和汉麻产业就等于零。铺天盖地的麻怎样运到工厂,怎样实现皮秆分离?国内国外之前的方法都不灵!这是个卡脖子的问题。”张建春说:“皮秆分离,最落后的方法是手工分离,建立原料加工场需要很大场地,水受到污染并且麻也容易被沤黑。我们研制了一套设备,解决了从收割到成为工业原料的瓶颈,麻秆也不会沤黑。接下来我们攻克了第二项技术难关:汉麻的木质素含量很高,纤维又粗又硬,不能用于纺织,但如果将木质素全部脱出,纤维就太短。我们用几年时间研制成功一整套加工设备和工艺,利用机械、物理的方法,把粗硬的麻皮处理得像棉花一样柔软。这套纤维加工技术是我们的‘绝活儿’,这套加工设备和工艺也是汉麻研发的核心技术,拥有独立自主的知识产权。通过这个技术,可以把过去做粗绳子、麻袋的原料变成高档的纺织品。”

  “解决了汉麻种植难题,突破了汉麻皮秆分离技术,攻克了汉麻纤维处理技术,之后的麻秆系列化开发、麻籽的利用等等,都按照产业链的思路去探索。”在汉麻研究立项之初,张建春就将项目确定为汉麻综合利用技术。“汉麻的研究过去不综合。国内很多地区都有种麻的历史,内蒙古、甘肃是为了收获麻籽,麻籽榨出的油非常香,麻皮和麻秆就扔掉;东北、安徽等地种麻是为了要麻皮,用来拧麻绳,作为地毯制作工艺的底层,跟过去做麻袋一个道理,是典型的粗加工。从应用角度说,有的用籽,有的用皮,有的用秆,根、叶、花则长期无人研究甚至无人问津。麻的六个部分,过去的研究大多集中在皮、秆、籽。其实是把很好的资源扔掉烧掉,以至于麻的应用附加值很低。”

  按照开发产业链的思想搞科研,这也使得汉麻综合利用研究从零开始、从种植技术开始,逐步建立起一个独特的庞大的汉麻研究学科,涉及育种、种植、纤维、纺织、材料、造纸、食品等多个行业和领域,汉麻研究也最终形成跨门类跨领域的一个技术集群。

  通过几年的不懈努力,军用汉麻材料研究中心科研团队采用现代测试手段,测试分析了汉麻在不同地域、不同生长时间、植物不同部位组成变化的规律,全面分析了汉麻韧皮纤维的形态结构、超分子结构和化学组成,提出了汉麻纤维的分子结构模型和形态结构模型;采用先进的测试方法和测试手段,全面测试分析了汉麻纤维的力学性能、表面性能、抗菌性能、吸附性能、抗紫外性能、染色性能、声学性能、热湿性能、绿色环保性能等,并揭示了这些性能与汉麻纤维内部结构组成之间的关系;在结构性能分析测试的基础上,探讨了汉麻纤维的抗菌防臭机理,防紫外机理,吸湿排汗机理,化学吸附机理等,为汉麻纤维纺织功能产品开发奠定了坚实的基础;全面分析了鲜茎剥皮、机械脱胶、生物脱胶、闪爆加工、高温蒸煮、碱处理、液氨处理、热胀染色、二氧化碳超临界处理、潮态纺纱等对汉麻纤维结构与性能的影响,为汉麻纤维新型加工工艺和加工设备、纺纱工艺设备、染整工艺设备以及汉麻增强复合材料的研发提供了理论上的支撑。

  至今,他们已出版《汉麻综合利用技术》、《汉麻种植与初加工技术》、《汉麻纤维的结构与性能》、《汉麻籽加工技术及综合利用》等一系列专著,研究出了18台套新型加工设备,申报了40余项国家发明专利,研究成果得到了行业内和国际上的广泛关注。

  2008年岁末,包括11位院士和专家组成的鉴定委员会,面对军用汉麻材料研究中心在汉麻综合利用技术、汉麻结构与性能研究等方面的创举,所有的人都称惊道奇,所有的人都为之震撼。

  “作为部队的军需研究单位,我们要为全军的吃穿负责,我们有着强烈的社会责任感。我们在汉麻的科研中遇到了很多困难,最大困难是国际国内市场都没有现成的设备,全部要自己研发,很多东西都是自己原创的,每一步都很艰难。”对于汉麻项目目前取得的成就,部队著名功能服装材料专家、军用汉麻材料研究中心常务副主任张华一脸欣慰:“我们很幸运,我们不但做到了,而且做得非常好。”

  2006年,云南西双版纳设立汉麻生态农业基地,一期种植了3万亩汉麻。随后,从云南的红河、石林到北方的通辽、呼伦贝尔,汉麻种植的范围迅速扩大。2009年我国汉麻种植面积扩大到10万亩。伴随着汉麻种植业的蓬勃兴起,这些地区经济得到了发展,农民生活得到了改善。

  2007年4月,在军用汉麻材料研究中心技术指导下,中国纺织行业龙头企业雅戈尔集团与宜科科技共同投资2亿元,在云南组建了汉麻产业投资控股有限公司,现已达到年产汉麻纤维5000吨的生产能力,将这项领先于国际水平的汉麻纤维开发利用技术成果推上了产业化道路。

  2010年10月,六安市汉麻科技产业园正式开工建设,100万亩的汉麻种植基地也随之启动。

汉麻研究国际影响力不断上升

  汉麻的研究进展,引起了国际相关机构和研究人员的关注。2008年10月,应联合国粮农组织邀请,张建春赴罗马参加该组织举办的天然纤维论坛,并作了《天然纤维在中国》专题报告,报告中有关汉麻研究成果及其产业化应用情况,得到了与会专家的强烈反响。联合国粮农组织官员对汉麻综合利用提高边远地区农民收入、减少贫困的作用给予了高度评价。“当大家都在想怎么做的时候,中国的张先生已经做到了。”

  鉴于中国天然纤维研究水平和汉麻综合开发利用的示范作用,联合国粮农组织决定与中国工程院联合在中国举办“2009国际天然纤维年——中国天然纤维论 坛”,并邀请张建春担任论坛主席。2009年4月15日~17日,论坛在云南西双版纳顺利举办,来自12个国家的近400多名代表参加了会议,就天然纤维 发展趋势和中国天然纤维研究进行了广泛的技术交流,扩大了汉麻综合利用研究在国际上的影响力。会上,联合国粮农组织为军用汉麻材料研究中心颁发了奖牌,以 表彰其为世界天然纤维种植、加工和应用所作出的突出贡献。