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[上海硅酸盐所]新型高柔韧性羟基磷灰石耐火纸
资料来源:上海硅酸盐研究所

摘要:纸是中国古代四大发明之一,纸的发明结束了古代简牍繁复的历史,极大地促进了人类文化的传播与发展。传统植物纤维素纸的致命弱点是易燃性,书籍和纸质文件在火灾中会被完全烧毁。

  纸是中国古代四大发明之一,纸的发明结束了古代简牍繁复的历史,极大地促进了人类文化的传播与发展。如今,纸已成为人类日常工作和生活离不开的多用途产品。传统纸通常是采用树木或草等植物纤维为原料并加入一些添加剂和漂白剂制造出来的。随着科学技术的发展,一次性纸成为一种廉价的商品,导致纸的消耗量及其废物大幅增加。例如在20世纪下半叶全球纸的用量大约增长了6倍,全球约20%的木材用于纸的制造,导致大规模森林资源的消耗和环境污染。

由木材纸浆制成的传统纸含有较高比例的木质素,木质素在空气中和光照下会逐渐变黄,这就是一些书籍和报纸保存一段时间后会变黄的原因。植物纤维素也会产生一些酸性物质,这些酸性物质会使纸腐蚀降解。传统植物纤维素纸的另一个致命弱点是易燃性,书籍和纸质文件在火灾中会被完全烧毁,这也是很多世纪以来众多纸质文物损毁消失的一个主要原因。

基于传统纸所面临的突出问题,探索基于无机材料的新型高柔韧性耐火纸就成为一个重要的研究课题。最近,中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员带领的科研团队专心致力于具有可控构造的羟基磷灰石纳米材料的研究,目标是发明一种新型的具有高柔韧性及不可燃性的无机纸以期解决传统植物纤维纸所面临的难题。羟基磷灰石是一种天然矿物质,它是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成份,具有优良的生物相容性并且环境友好,本身呈现优质的白色,是制造纸的一种理想材料。但是羟基磷灰石材料如羟基磷灰石陶瓷一般脆性很高、韧性很低,因此需要解决的一个巨大挑战是如何显著提高羟基磷灰石材料的柔韧性。通过坚持不懈的研究,朱英杰科研团队发现采用羟基磷灰石超长纳米线作为纸的构建材料可以有效解决这一难题。

另一方面,羟基磷灰石在合成过程中通常容易形成短纳米棒,而羟基磷灰石超长纳米线的制备是一个具有很大挑战性的难题。朱英杰科研团队发展了一种新的制备方法,以油酸钙为前驱体成功地制备出亲水性/疏水性可精确调控的羟基磷灰石超长纳米线,并以该超长纳米线作为纸的构建材料,采用简单的真空抽滤技术成功地制备出新型羟基磷灰石耐火纸。该纸具有高柔韧性、可任意卷曲、不可燃烧,并可以耐1000 oC以上的高温。这种新型耐火纸可以应用于需要长期保存的文字、文件及档案等,它作为永久和安全的信息存储介质具有良好的应用前景。此外,该新型耐火纸也可作为从废水中有效去除有机污染物的可再生吸附剂、药物控释载体、骨缺损修复材料、医用纸、阻燃材料和耐高温材料等用途。

目前,这种高柔韧性羟基磷灰石耐火纸还仅限于实验室规模的制备。朱英杰科研团队正考虑进一步改进和优化羟基磷灰石超长纳米线的合成方法,使其进一步向低成本和批量化方向推进,期望为未来可能的规模化生产提供技术支撑。可以预期,将来如果高柔韧性羟基磷灰石耐火纸能够实现大规模生产和使用,它不仅能够作为永久和安全的信息存储介质将重要文字、文件及档案等长期保存,而且可以大幅度减少人类对传统植物纤维素纸的依赖,使大规模森林等宝贵的自然资源得以保全,从一定程度上减少环境污染,从而对未来人类社会和环境产生重要而深远的影响。

该图显示朱英杰研究员带领的研究团队发明的新型高柔韧性羟基磷灰石耐火纸,该纸具有高柔韧性、可任意卷曲、不可燃烧、且耐高温。该新型耐火纸可用于彩色打印和书写,亦可作为永久和安全的信息存储介质将重要文字、文件及档案等长期保存,具有良好的应用前景。

科研人员在实验室内对比展示“耐火纸”的特性,“耐火纸”在酒精灯的火苗上滞留近30秒没有发生自燃(上图);而普通纸张顷刻间被酒精灯点燃,从完好状态到化为灰烬仅用时6秒左右(下图)。

 

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