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能包住火的神奇耐火纸

2017-12-29 14:32  来源: 中国微米纳米技术学会

大家知道,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、文明和科技的传播与发展。即使是在当今科技高速发展的电子信息时代,纸仍然是人们日常工作和生活离不开的多用途产品。

 

中国古代四大发明之一:造纸术

 

据记载,东汉时期(公元105年),蔡伦在总结前人经验的基础上改进了造纸术,他使用树皮等来源广泛的原料,造出了质量更高、更适合书写的纸(蔡侯纸),为以后纸的推广使用做出了重要贡献。纸的发明为中国和世界带来了书写材料的革命,为人类的文明进步开创了辉煌的篇章。2007年,美国《时代》周刊公布的有史以来最佳发明家,中国的蔡伦榜上有名。在美国人麦克·哈特的《影响人类历史进程的100名人排行榜》中,蔡伦入选并排名第7,哈特评价说:“纸的发明,使中国文化得到迅速发展”。传统造纸过程很复杂,要经过多道工序,包括浸泡、蒸煮、舂捣、去胶、纤维切短、打浆、抄造成纸、干燥等。大约二千年后的今天,现代工厂已经可以自动化快速完成造纸的全部过程。然而,无论现代造纸工艺如何提高优化,始终没有改变以树木等植物纤维作为原料的本质。植物纤维主要成分是纤维素,是由葡萄糖组成的大分子多糖,纤维素通常与半纤维素、果胶和木质素结合在一起,这些有机物质都是易燃的,所以纸易燃怕火。此外,造纸需要消耗宝贵的树木等自然资源,造纸过程也会造成环境污染。

俗话说“纸包不住火”。火就是纸的天敌,一旦遇到火灾,对于记载着人类文明智慧结晶的书籍和纸质文物来说,都是灭顶之灾。在人类漫长的历史长河中,无数珍贵的纸质文物和书籍在火灾中被焚毁,这也是许多世纪以来众多纸质文物损毁消失的一个主要原因,这对人类来说无疑是无可估量的巨大损失,令人痛心惋惜。

那么,是否有可能寻找新的材料制造出不怕火的纸呢?这当然是长期以来人们的一个梦想,也是一个巨大的挑战,或许是一个天方夜谭,毕竟千百年来也没有可以书写印刷的耐火纸被制造出来并实现大规模应用。要寻找合适的材料制造耐火纸,自然会想到采用无机非金属材料来替代制造传统纸的易燃有机植物纤维,因为很多无机非金属材料都可以耐高温、不燃烧;但是遗憾的是,这些材料一般很脆、不柔软,所以不能用来制造柔软的耐火纸。随着科技日新月异的快速发展,纳米科技与其它学科交叉的研究成果为许多难题的解决提供了希望的曙光。

在众多的无机非金属材料中,羟基磷灰石材料具有独特之处。羟基磷灰石是一种天然矿物质,它是一种典型的生物材料,与我们的身体有着千丝万缕的联系,它是人体骨骼和牙齿的主要无机成份,人的牙釉质中羟基磷灰石的含量高达90 %以上,骨骼中羟基磷灰石的含量约为70 %。因为是人体中存在的生物材料,所以羟基磷灰石具有优良的生物相容性,并且环境友好。羟基磷灰石本身呈现优质的白色,熔点高(~1650 ℃),耐高温,不燃烧。但是,遗憾的是通常羟基磷灰石材料就像牙齿和骨骼一样又硬又脆,并不适合用来制造柔软的耐火纸。

 

羟基磷灰石超长纳米线的扫描电子显微图片(a, b)和透射电子显微图片(c),从图中可以看出纳米线可以自然弯曲,表明具有良好的柔韧性; (d) 羟基磷灰石超长纳米线的浆料可以形成很长的纤维(约28 毫米),表明其可以作为耐火纸的理想原料

 

从2008年开始,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一直致力于羟基磷灰石纳米材料及其在生物医学领域的应用研究。2013年,朱英杰团队通过大量的实验,发展了一种独特的制备方法,人工合成出羟基磷灰石超长纳米线,其直径只有大约10纳米,相当于人头发丝粗细的大约万分之一,其尺寸是如此之小结果是人的眼睛根本看不见,需要用高倍扫描电子显微镜观察。在高倍扫描电子显微镜下,这些羟基磷灰石超长纳米线可以自然弯曲,看上去就像又长又软的挂面一样,具有良好的柔韧性,这就可以解决羟基磷灰石材料的高脆性难题。有了高柔韧性的羟基磷灰石超长纳米线,朱英杰提出了将羟基磷灰石超长纳米线用作原料来研制新型耐火纸的创新性想法,经过多次实验,该团队成功地研制出新型耐火纸,使“纸能包住火”成为现实。

这种新型耐火纸具有高柔韧性,可以任意卷曲,呈现优质的白色,环境友好,不像传统植物纤维纸那样需要漂白;最神奇的是,它耐高温,不燃烧,即使在1000℃的高温下耐火纸仍然可以保持其完整性;该耐火纸可以书写以及采用打印机彩色打印,有望应用于书籍和重要文件例如档案的长久安全保存。此外,新型耐火纸还具有其它多种用途,在多个领域具有良好的应用前景。该新型耐火纸的原料羟基磷灰石超长纳米线可采用普通的化工原料人工合成,不需要消耗树木等宝贵的自然资源,新型耐火纸的整个制造过程环境友好,不会对环境造成污染,具有良好的产业化应用前景。

 

羟基磷灰石超长纳米线的浆料,呈现优质的白色,分散性好,是耐火纸的理想原料

 

经过几年的科研攻关,朱英杰团队发展了一种油酸钙前驱体溶剂热法,成功制备出长度可达100微米以上、最大长度接近1000微米的羟基磷灰石超长纳米线,并发展了100升体积的环境友好的放大制备技术。通过优化耐火纸的配方和抄造技术,新型耐火纸的各项性能大幅提高,主要性能指标可以达到复印纸国家标准;尺寸由原来的几厘米放大到A4尺寸(21厘米×29.7厘米)和A3尺寸(42厘米×29.7厘米),可直接应用于书写和打印机彩色打印,并且效果良好。

目前,新型耐火纸的研究还处于实验室阶段,要实现更多美妙的设想还需要科学家的不懈努力。可以预期,在不久的将来,新型耐火纸或许可以从实验室走向市场、走进档案馆和图书馆,保护那些重要书籍、文件及档案。下一步需要进一步研究新型耐火纸的低成本量产技术,并且早日实现产业化,使各种耐火纸产品能够进入大众的生活中,让普通大众能够用到神奇的耐火纸。

 

【版权声明】本文由中国科学院上海硅酸盐研究所朱英杰研究员原创,转载需经原作者同意。

 

作者: 朱英杰   [责任编辑: 吕芮光]