丝瓜络的综合利用现状和发展前景

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丝瓜络的综合利用现状和发展前景

摘要：伴随环境和资源紧缺问题日益突出，开发绿色可持续发展的新材料，拓展植物材料的应

用空间具有重大的意义。本文对丝瓜络纤维的天然特性如形态、密度、孔隙率、纤维直径、化

学组成和力学性能进行了概述；同时结合近年来国内外的研究成果，重点综述了丝瓜络纤维在

环境保护、增强复合材料、纳米纤维素制备、细胞固定化载体及生物反应器等领域的综合利用

研究进展。针对目前国内在开发丝瓜络纤维新用途和高附加值利用方面的研究现状，提出了今

后丝瓜络纤维在拓宽其应用范围和加快工业化应用步伐方面的建议，并对丝瓜络纤维的开发利

用前景进行了展望

随着社会的发展，环境和资源紧缺问题日益突出，人们已将目光重点投向寻求成本低廉且性能

优良的天然可再生生物质资源的综合开发利用研究，以期能逐步摆脱日渐枯竭的石化资源对人

类生活、社会生产发展所带来的制约。自然界中种类繁多的生物质材料不仅具有来源丰富、可

生物降解和可持续再生等特点，而且通常皆由纳米至亚微米尺度的结构单元自组装形成刚柔并

具的多尺度复杂结构，呈现出天然的性能优越性和功能多样性。天然植物纤维材料在地球上储

量巨大，被誉为高度可持续利用的材料，开展此类材料的高值化综合利用已然成为国内外科研

人员的研究热点之一。

丝瓜为葫芦科丝瓜属一年生攀缘性草本植物，作为一种新兴的经济作物，在国内外热带、亚热

带地区均有广泛种植[1-4].丝瓜浑身是宝，除了具有很高的食用和药用价值之外，成熟丝瓜籽可

以用于提取丝瓜籽油或制备生物柴油[5];由丝瓜络加工而成的各类绿色生活、保健用品也深受

国内外消费者的欢迎[6].丝瓜络是成熟丝瓜果实除去外皮和种子后获得的纤维质网状结构的天

然维管束组织，又名丝瓜海绵、植物海绵。近年来，随着科技的发展，丝瓜络经科学开发，已

悄然成为一种新型的天然工业材料，在包装、消声、过滤、保温、减震和抗冲击缓冲器等工程

领域获得应用[7].目前，国内的丝瓜络日用产品已打开国际市场，丝瓜络产业也实现了种植、

加工、产品质检和销售的规范化、科学化、标准化和现代化，每年可实现产值上亿元[8].本文

以丝瓜络优良的天然理化特性为背景，对丝瓜络的综合利用现状和发展前景进行综述。

1 丝瓜络的天然特性。

丝瓜络的外观多呈白色或者黄白色，为长圆筒形或长梭形，略弯曲，两端较细，长约25~60cm,

直径约 5~10cm.丝瓜络是由多层丝状纤维纵横交织而成的立体多孔网状物，具有体轻、质韧、

耐磨、富有弹性等天然特性；横切面可见3 室子房形成的 3 个大空腔，丝瓜络的多尺度形态结

构如图1所示[9].

丝瓜络的主要化学组成为纤维素、半纤维素和木质素，三者的相对含量高低与丝瓜络的生长条

件和生长期有关，文献报道的丝瓜络化学成分及其物理特性参数列于表 1[4,10-14]. 由表1 中数

据可见，丝瓜络的 α- 纤维素含量高达60%以上，而灰分含量则较低；质轻且孔隙结构发达，是

一种物丰价廉的优质植物纤维材料。Laidani 等[15]研究了丝瓜络纤维的热物理性质，结果显示

丝瓜络纤维的热容及对各种吸附水的脱附行为与木质纤维相近。

丝瓜络整体是由多层丝状纤维自组装而成的立体交织网状物，丝状纤维在其不同部位的连接方

式和空间取向存在差异，因此导致丝瓜络不同部位的力学性能亦不尽相同。Shen 等[16]首次对

圆柱状丝瓜络样品的力学性能进行了测试，结果显示丝瓜络柱状体的刚度、强度以及能量吸收

性能可与泡沫铝、Ni-P 微晶合金等金属基多孔材料相媲美，预示着丝瓜络是一种极具发展潜力

的环境友好型轻质多孔工程材料。他们后来还进一步考察了丝瓜络柱状体样品的动态力学性

能，研究发现丝瓜络的压缩强度、平台应力和比吸收能均呈现出明显的应变速率效应。为了深

入研究丝瓜络的多级结构与力学性能之间的关系，Chen 等[17]分别截取出柱状丝瓜络样品的4

个不同结构部位和单根丝瓜络纤维，对其结构和力学性能展开研究。结果显示丝瓜络纤维呈天

然多孔复合结构，单根纤维（长度约 30mm, 直径 0.3~0.5mm）的杨氏模量和断裂强度与木质纤

维相当，分别约为 2.3GPa 和103MPa,并得出了丝瓜络外圆周壁部位的平均力学性能约是其芯

部1.6 倍的结论。

他们的研究结果对于仿生制造具有优良力学性能的新型抗压装置和超轻夹芯板材具有很好的启

发作用。

2 丝瓜络纤维的应用。

2.1 天然吸附剂。

丝瓜络纤维（luffa cylindrica fibers,LCF ）天生具有很发达的多级孔隙结构, 其

BET（Brunauer-Emmertt-Teller equation ）比表面积平均值可达123m2/g,因此可以作为有机染料

分子或离子型污染物的天然吸附剂[18-19].天然丝瓜络纤维对吸附质的吸附过程多为自发的物理

吸附过程，吸附能力与吸附质的初始浓度、溶液的pH 值、吸附时间、温度等因素有关，其吸

附等温线类型基本都符合单分子层吸附的 Langmuir 方程。Alt?n???k 等[2] 考察了LCF 对孔雀绿

染料（malachite green,MG）的吸附性能。热动力学研究结果表明，MG 在LCF 上的吸附行为

表现为自发的吸热吸附特征，在 pH≥5 的条件下 LCF 对MG 的最大吸附量达到了29.4mg/g.此

外，Demir 等[18] 研究指出LCF 对亚甲基蓝（methylene blue,MB ）的吸附容量高达49mg/g,明

显优于文献报道的多种其他纤维质类天然吸附剂。最近，Ye 等[20]研究了溴化十六烷吡啶（1-

cetylpyridinium bromide,CPB ）在LCF 上的吸附行为，根据 Langmuir 等温吸附方程计算出LCF

对CPB 的吸附容量为 122mg/g,显示了其在治理水环境中阳离子表面活性剂有害物质的应用潜

力。

为了进一步提升LCF 的吸附性能，扩大LCF 作为天然吸附剂的应用空间，对 LCF 进行表面改

性以期获得预期的表面理化性质是一种行之有效的方法[19].研究发现，利用乙烯基单体对天然

植物纤维表面进行改性，有助于改善天然纤维的弹性、吸水性、离子交换能力以及热稳定性

等。Gupta 等[21] 制备了丙烯酸接枝改性的 LCF, 改性后的 LCF 表现出更优异的热稳定性，并且

能有效吸附亚甲基蓝（最大吸附量为 62.15mg/g ）和Mg2+ 等金属离子。

2.2 LCF 的表面改性及其在增强复合材料中的应用。

LCF 拥有天然纤维作为复合材料增强相的优势，如低密度、高强度、可再生性、可降解性和天

然网络结构[22].LCF 的表面理化特性，如吸附、润湿、热稳定性、黏附性和化学反应性等，对

其所制备的生物复合材料的综合应用性能影响显着[4]. 为了克服 LCF 的强吸水性及其与有机高

分子基体之间相容性差等不足，需要对 LCF 表面进行物理或化学改性处理。

2.2.1 化学表面改性与应用。

在对 LCF 进行化学改性之前，通常需要用稀碱溶液对LCF 进行丝光化预处理。丝光化预处理

可以在不破坏 LCF 结构完整性的基础上，有效去除包覆在丝瓜络纤维表面的胶质、蜡质等憎

水性组分，同时对半纤维素、木质素也有一定的脱除效果，增大了 LCF 的表面粗糙度，有助

于改善 LCF 的反应可及度和结晶性，为其化学改性创造有利条件[4,19,23].

为了改善 LCF 与非极性聚合物基体的界面结合强度，Botaro 等[24] 用二苯酮四甲酸二酐对LCF

进行酯化改性后，制备了改性LCF/ 乙烯基酯树脂复合材料。研究结果显示，添加改性LCF

后，该复合材料的热稳定性和力学性能明显增强。Tanobe 等[4] 分别用2% NaOH 和1%~3%甲

基丙烯酰胺水溶液对丝瓜络进行预处理。结果显示甲基丙烯酰胺预处理对LCF 会产生显着的

破坏作用。相比之下，NaOH 预处理可以在一定程度上脱除丝瓜络中的木质素和半纤维素，而

且在不破坏 LCF 基本化学结构的基础上可以有效增大其比表面积和热稳定性。因此，利用

NaOH 稀溶液处理丝瓜络，有利于将其进一步作为复合材料的绿色增强体进行使用。Demir 等

[3] 制备了 LCF/聚丙烯（polypropylene,PP ）复合材料，进一步考察了3- 氨丙基三乙氧基

硅烷[（3-aminopropyl）-triethoxysilane,AS]、（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷[3-

（trimethoxysilyl）-1-propanethiol,MS] 和马来酸酐接枝聚丙烯（ maleic anhydridegrafted

polypropylene,MAPP ）这三种偶联剂对LCF/PP 复合材料的形貌、力学和吸水性能的影响。

结果显示适量添加硅烷型偶联剂后，LCF 与聚丙烯基体之间的界面相互作用加强，复合材料的

杨氏模量、拉伸强度和疏水性有所增大。

Saw 等[22]则利用分层铺叠和热压成型技术，制备了热稳定性、力学性能和防水性能优良的糠

醇接枝改性的丝瓜络纤维（furfuryl alcohols-luffacylindrica fibers,FA-LCF）/环氧树脂复合

材料。由于FA-LCF 与环氧树脂基体之间存在化学键合作用，力学性能测试结果显示 FA-

LCF/ 环氧树脂复合材料的拉伸强度、弹性模量分别是同等条件下未经改性处理的LCF/环氧树

脂复合材料的 2 倍和2.23 倍。热分析结果表明 FA-LCF/环氧树脂复合材料的起始热分解温度也

上升至334℃ ，比纯的环氧树脂基体和 LCF/ 环氧树脂复合材料分别提高了 111℃和76℃。不仅

如此，FA-LCF/ 环氧树脂复合材料的疏水性较之LCF/ 环氧树脂复合材料也有明显改善。

Kaewtatip 等[25]也采用热压成型技术制备了一系列 LCF/热塑性淀粉（thermoplastic

starch,TPS ）复合材料。由于LCF 和TPS 化学结构相似，故LCF 增强体与TPS 基体之间具有

很好的相容性。研究结果显示，在 TPS 中掺入LCF 后，该复合材料的热稳定性、拉伸强度和

疏水性均有所改善。当LCF 添加量达到 10%时，复合材料的抗拉强度是 TPS 的2倍，该复合

材料可望用于生物塑料领域。Bal 等[26] 在碱预处理后的 LCF 表面包裹壳聚糖（chitosan,CS）

涂层，为纳米银粒子的原位生成提供一个天然的微型反应场所, 制备了具有长效抗菌性

能的 Ag-LCF-CS 生物复合材料。该材料可望在药物控释系统和创伤敷料等领域获得应

用。Akgül 等[10]还将LCF 成功应用于中密度纤维板材的制备，所制备出的板材力学性能符合

欧洲标准。

2.2.2 物理法（辅助）表面改性与应用。

Yang 等[19] 在微波辅助作用下，成功实现了 LCF 的高效酯化改性。对比改性LCF 的酯化率可

知，经 20min 微波辐照后的酯化率约是传统油浴加热 90min 所得酯化率的 25 倍。Kocak 等[27]

联合利用微波加热和超声作用，分别利用甲酸和乙酸对LCF 表面进行化学改性，有效提升了

LCF 的力学性能。

Martínez-Barrera 等[28] 则考察了γ 射线辐照剂量和 LCF 含量对石英砂/间苯二甲酸聚酯水泥复

合材料力学性能的影响。结果表明，用 LCF 增强的聚酯水泥经过γ 射线辐照处理后，其压缩应

变、弯曲应变和动态弹性模量都得到提升。在 100kGy 的辐射剂量下，添加了 0.9% LCF 的聚

酯水泥可以获得最大的弯曲形变。Wang 等[29] 利用 110W 的等离子体束对LCF 进行 10s 的辐

照处理后，LCF 中纤维素的平均含量由处理前的 66.19% 明显上升至85.65%,有利于增强其热稳

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丝瓜络的综合利用现状和发展前景摘要：伴随环境和资源紧缺问题日益突出，开发绿色可持续发展的新材料，拓展植物材料的应用空间具有重大的意义。本文对丝瓜络纤维的天然特性如形态、密度、孔隙率、纤维直径、化学组成和力学性能进行了概述；同时结合近年来国内外的研究成果，重点综述了丝瓜络纤维在环境保护、增强复合材料、纳米纤维素制备、细胞固定化载体及生物反应器等领域的综合利用研究进展。针对目前国内在开发丝瓜络纤维新用途和高附加值利用方面的研究现状，提出了今后丝瓜络纤维在拓宽其应用范围和加快工业化应用步伐方面的建议，并对丝瓜络纤维的开发利用前景进行了展望随着社会的发展，环境和资源紧缺问题日益突出，人们已将目光重点投...

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