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                    第36集 神奇的防水耐火紙

                    第36集 神奇的防水耐火紙 0:00/0:00
                    最新發布時間: 2021-08-30
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                      紙是我國古代的四大發明之一,紙的問世極大地促進了人類文化、文明和科技的傳播與發展。即便是在當今科技高速發展的電子信息時代,紙仍然是人們日常工作和生活不可缺少的多用途產品。但遺憾的是傳統植物纖維紙不僅怕火還怕水?;仡櫲祟惵L的歷史,可以發現很多珍貴的古書籍和文物基本上都是在火災或水災中被破壞掉的。 

                      不過,幸運的是,如今的科學家已經可以利用現代高科技來解決這個千百年來的難題了。他們研制出的這種不怕水火的新型紙張,就像《西游記》里唐僧的神奇袈裟一樣水火不侵。 

                      俗話說“水火無情”,水和火都是紙的天敵,傳統植物纖維紙既不耐火、也不防水,這些缺點不僅限制了傳統統植物纖維紙的應用,而且為珍貴的書籍、文件和紙質文物的長期保存埋下了巨大隱患。長期以來,無數寶貴的紙質文物和書籍在火災和水災中損毀,這對于人類來說無疑是不可估量的巨大損失,令人痛心惋惜。 

                      例如,2014年1月,法國國家圖書館遭遇水災,超過一萬冊書籍被水淹沒而受到損毀,而該圖書館在2004年也發生過同樣的悲??;2015年1月30日,莫斯科社會科學信息研究所圖書館發生重大火災,大火持續了十幾個小時,數以百萬計的珍貴古籍圖書資料在大火中被燒毀。更加雪上加霜的是,在噴水滅火過程中又使很多的圖書資料受到損壞。 

                      為了避免類似事故的發生,各國的科學家都在全力以赴地研制既能耐火又能防水的超級紙。2013年,中國科學院上海硅酸鹽研究所朱英杰研究員帶領的科研團隊經過不懈的努力,成功地人工合成出具有良好柔韌性的羥基磷灰石超長納米線,這段線的長度可以達到100微米以上,直徑只有大約10納米,相當于人頭發絲粗細的萬分之一左右。 

                      于是,朱英杰團隊便創新性地采用這段新合成的超長納米線作為原料,成功地研制出新型耐火紙,使“紙能包住火”成為現實。這種新型耐火紙外觀顏色整體是白色的,具有很高的柔韌性,可以任意卷曲,并且還耐高溫,不燃燒,更重要的是,這種新型耐火紙和普通纖維紙都可以用在書寫和打印機彩色打印。但當時研制的新型耐火紙雖然不怕火,但是它還是怕水的,所以還需要解決耐火紙的防水難題。 

                      要解決新型耐火紙的防水難題,就需要使耐火紙具有超疏水性能。在這里,我們要先來簡單了解一下什么是超疏水性能。 

                      理論上來說,超疏水性能主要是指水珠在材料表面的穩定接觸角大于150度并且滾動接觸角小于10度,并且,這種超疏水性能的材料大部分都具有抗污、防霧、自清潔等優點,在多個領域都擁有良好的應用前景??茖W家們之所以會有這樣的思路,還要歸功于荷葉“出淤泥而不染”的這個特點。 

                      實際上,荷葉之所以“出淤泥而不染”,主要是因為荷葉表面上有很多微米級的蠟質凸起結構,并且在每個微米級凸起的表面又生長了許許多多的納米結構,這樣就形成了很多微納米尺寸的小空間,這些小空間里充滿了空氣,形成一個一個的小氣室。 

                      而當雨水落在荷葉表面上的時候,由于球形狀態下水的表面張力最小也最穩定,所以雨水就會在荷葉上形成球形水珠。這種球形水珠一般都是毫米級的尺寸大小,不能夠進入尺寸更小的小氣室,于是就只能在一個個小氣室頂端跑來跑去。 

                      荷葉表面還覆蓋一層生物臘狀物質,它是一種低表面能的物質,具有很強的疏水作用。荷葉表面的微納米結構和生物臘狀物質二者結合,相互協同作用,也就讓球形水珠與荷葉表面產生了排斥性,進而造成了荷葉的超疏水性能。也正是由于荷葉表面的這些特點,使荷葉表面與水珠的接觸面積變小,因此就出現了球形水珠在荷葉表面滾動并能帶走灰塵的現象,這才讓荷葉能夠出淤泥而不染。 

                      聽過有關荷葉超疏水結構的介紹之后,我們也相應的了解了超疏水材料的重要應用價值。近年來,國內外學者利用各種方法制備超疏水材料。然而,有些制備方法不僅對儀器設備的要求比較高,而且還經常使用一些含氟化學試劑對材料表面進行化學修飾以降低其表面能,從而獲得超疏水特性。但是,含氟化合物通常比較昂貴,而且具有一定的毒性,對人體和環境存在潛在的安全性隱患,所以并不適合推廣使用。 

                      2016年,經過幾年的科研攻關,朱英杰團隊成功地研制出一種新型防水耐火紙。這種新型防水耐火紙是采用表面吸附了具有疏水作用的油酸分子的超長納米線作為原料制備而成的。其中,表面吸附了油酸分子的超長納米線可以用普通的化工原料人工合成,并不需要消耗樹木等寶貴的自然資源,所以說新型防水耐火紙的整個制造過程環境友好,不會對環境造成污染,具有良好的產業化應用前景。 

                      不過,關于這種新型的防水耐火紙,大多數人還是有一些疑問的,接下來,我們不妨用幾個問題來簡單了解一些這種新型材料。 

                      1、制備新型防水耐火紙所用的油酸是什么物質? 

                      其實,油酸具有很多優點,例如無毒、無害、環境友好,并且價格相對來說還比較便宜。油酸廣泛存在于自然界中,主要以甘油酯的形式存在于動植物油脂中。油酸在人體的新陳代謝過程中發揮著重要作用,是食物中不可缺少的營養素,并且吃一些含有油酸的食用油還有益于健康。此外,油酸的鈉鹽或鉀鹽是肥皂的成分之一。 

                      2、新型防水耐火紙的防水性能是如何實現的? 

                      在新型防水耐火紙的制造過程中,表面吸附了油酸分子的超長納米線之間通過相互重疊、交織、纏繞形成納米多孔網絡結構,這種特殊的結構使得耐火紙形成類似微納米結構的表面,再加上超長納米線表面吸附的油酸分子具有疏水作用,因此防水耐火紙就擁有了優良的超疏水性能和防水功能。 

                      新型防水耐火紙具有多種功能,例如高柔韌性、優良穩定的超疏水性能、良好的自清潔功能以及耐火性能。另外,科研人員所制備的防水耐火紙不僅對水具有優良的超疏水性能,對多種商業飲料也同樣有這種性能,進而真正研制出了“水火不侵”的紙張。 

                      3、新型防水耐火紙在高溫等惡劣環境下還能保持防水嗎? 

                      事實上,這種新型防水耐火紙還有一個突出的優點,那就是防水性能具有很高的穩定性,即使受到物理損傷或在高溫嚴酷環境中,它仍然能夠很好地保持防水性能。雖然學術界對超疏水材料進行了深入的研究,但是要實現穩定、可抗機械損傷和外界嚴酷環境的超疏水性能仍然是一個很大的挑戰。 

                      超疏水表面遭受物理破壞或處于高溫等嚴酷環境中往往不能很好地保持超疏水狀態。針對這一難題,朱英杰團隊提出了層狀結構防水耐火紙的概念,采用經表面吸附油酸的超長納米線作為原料成功制備出具有層狀結構的新型防水耐火紙,這種防水耐火紙不僅表面層呈現超疏水狀態,而且它的內部也呈現超疏水狀態。當表面層受到物理破壞后,內部暴露出來的新層仍然保持超疏水狀態,從而可實現耐火紙防水性能的高穩定性,讓耐火紙在受到機械損傷或在高溫嚴酷環境中仍能完好保持防水性能。 

                      總的來說,新型防水耐火紙是科研人員幾年來不屑的努力,它不僅能夠防水耐火,還具有一定的自清潔性。所以,當以后的紙張逐漸替換成新型防水耐火紙后,相信未來的文獻資料再也不用害怕污染損壞了,也就可以保存的更加完整長久了。 

                      好的,今天的非??茖W到這里就要告一段落了。如果您想要了解更多的科普信息,可以搜索微信公眾號“feichangkexue”來關注我們,或者通過新浪官方微博“經濟之聲非??茖W”與我們節目組進行互動。主持人亞楠代表編輯制作感謝大家的收聽,并誠邀您明天同一時間繼續與我們相約《非??茖W》。 


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