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中国学者制备“耐火宣纸”,设计模仿建筑“钢筋混凝土结构”

作者: 来(lai)源: 日期:2017-12-29 点击:465 属(shu)于:欧(ou)尚动态
  “国宝”安徽泾县宣纸,以青檀皮为原料,采用传统手工工艺抄造而成,具有颜色洁白、纹理细密、质地坚韧、润墨性好、耐老化等优点,享有“纸中之王、纸寿千年”的美誉。

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员朱英杰团队在美国化学学会期刊ACSSustainableChemistry&Engineering发表最新成果,研究聚焦在克服传统宣纸的缺点。

  研究团队认为,由于安徽泾县地理环境的特殊性,所产宣纸原料具有不可替代性,其原料紧缺;宣纸采用手工制作,需要100多个工序,生产周期长达1-2年,使其生产效率低、产量小、成本高;此外,宣纸易燃,历史上有不少艺术作品都因火灾而付之一炬。

  朱英杰在接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)采访时表示,针对传统宣纸存在的问题,以新型无机纳米材料——网状结构羟基磷灰石超长纳米线作为主要构建材料,研制出新型“耐火宣纸”。“虽然材料与传统宣纸完全不同,但主要的性能都与传统宣纸做了比较,与传统宣纸具有相似性,并且具有传统宣纸没有的性能,即耐高温和耐火性能以及更加优越的耐久性和使用寿命。”

  传统宣纸在火中几秒钟即快速燃烧化为灰烬;而新型“耐火宣纸”白度高,具有优异的耐高温、耐火性能,长时间在火中灼烧也不会燃烧。

  朱英杰在2002年1月入选中科院“百人计划”回国工作,曾获得过上海市自然科学一等奖等荣誉,2014年、2015年和2016年连续3年入选Elsevier发布的中国高被引学者榜,目前任中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、博士研究生导师,中科院上海硅酸盐研究所生物纳米技术研究课题组组长。

  此番制备的新型“耐火宣纸”为全无机组份,其结构设计模仿现代建筑中的“钢筋混凝土结构”。朱英杰介绍,“采用网状结构羟基磷灰石超长纳米线作为主体材料,相当于建筑中的‘钢筋混凝土结构’的水泥,采用微米级无机纤维作为骨架材料,类似于建筑中的‘钢筋混凝土结构’的钢筋。”此外,研究团队还研制了一种新型无机胶粘剂。

  “这些组份的协同作用,可显著提高新型‘耐火宣纸’的力学强度等性能。”朱英杰表示。

  值得一提的是,朱英杰和羟基磷灰石已经打交道逾十年。2014年,朱英杰团队成功制备出新型羟基磷灰石耐火纸,在科学界引起广泛关注,堪称“耐火纸之父”。羟基磷灰石是一种无机材料,它是脊椎动物骨骼和牙齿的主要无机成份,它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,被认为是制造纸的一种理想材料。

  不过,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。团队自2014年制备出新型羟基磷灰石耐火纸后,近年来仍在不断改善其性能。

  朱英杰表示,“2014年那时的耐火纸很不完善,只采用羟基磷灰石超长纳米线(不是网状结构)作为构建材料,力学强度等性能比较差。”而新型“耐火宣纸”采用网状结构羟基磷灰石超长纳米线作为主要构建材料,还有微米级无机纤维骨架材料和新型无机胶粘剂,综合性能得到明显提高,明显优于传统宣纸。

  实验结果表明,新型“耐火宣纸”白度高(92%),高于传统宣纸的白度(70%)。值得一提的是,新型“耐火宣纸”白度高,是材料本身的颜色,无需漂白。同时,比传统宣纸具有更加优越的防霉性能,多种霉菌在新型“耐火宣纸”上均不能生长。

  团队通过模拟实验得出,加速模拟老化2000年后,新型“耐火宣纸”的白度仍然为91.6%,白度保持率高达99.6%;而传统宣纸加速模拟老化2000年后,其白度只有47%左右,白度保持率较低,只有大约67%。

  新型“耐火宣纸”加速模拟老化3000年后的白度为86.7%,白度保持率仍高达94.2%;而传统宣纸加速模拟老化3000年后,其白度低于42.5%,白度保持率低于60%。新型“耐火宣纸”加速模拟老化3000年后的白度甚至仍然明显高于没有老化的传统宣纸。

  在加速模拟老化过程中,新型“耐火宣纸”表现出优异的力学性能,加速模拟老化3000年后,“耐火宣纸”的拉伸强度保持率为81.3%;而相比之下,传统生宣纸加速模拟老化3000年后的拉伸强度保持率仅为38%,传统熟宣纸加速模拟老化3000年后的拉伸强度保持率为52.7%。

  耐火性能测试还表明,传统宣纸在火中仅仅几秒钟就迅速燃烧化为灰烬;而新型“耐火宣纸”具有优异的耐高温和耐火性能,长时间在火中灼烧也不会燃烧并保持完好。此外,新型“耐火宣纸”的制备只需3至4天,制备周期短,制备效率高。

  研究团队认为,新型“耐火宣纸”有望作为耐高温、耐火书法绘画纸,应用于保护珍贵的艺术作品和重要文件免于火灾的损毁。

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