神奇的防水耐火纸

栏目：向科学致敬 来源：中国数字科技馆

纸是我国古代的四大发明之一，纸的问世极大地促进了人类文化、文明和科技的传播与发展。即便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不可缺少的多用途产品。但遗憾的是传统植物纤维纸不仅怕火还怕水。回顾人类漫长的历史，可以发现很多珍贵的古书籍和文物基本上都是在火灾或水灾中被破坏掉的。

不过，幸运的是，如今的科学家已经可以利用现代高科技来解决这个千百年来的难题了。他们研制出的这种不怕水火的新型纸张，就像《西游记》里唐僧的神奇袈裟一样水火不侵。

俗话说“水火无情”，水和火都是纸的天敌，传统植物纤维纸既不耐火、也不防水，这些缺点不仅限制了传统统植物纤维纸的应用，而且为珍贵的书籍、文件和纸质文物的长期保存埋下了巨大隐患。长期以来，无数宝贵的纸质文物和书籍在火灾和水灾中损毁，这对于人类来说无疑是不可估量的巨大损失，令人痛心惋惜。

例如，2014年1月，法国国家图书馆遭遇水灾，超过一万册书籍被水淹没而受到损毁，而该图书馆在2004年也发生过同样的悲剧；2015年1月30日，莫斯科社会科学信息研究所图书馆发生重大火灾，大火持续了十几个小时，数以百万计的珍贵古籍图书资料在大火中被烧毁。更加雪上加霜的是，在喷水灭火过程中又使很多的图书资料受到损坏。

为了避免类似事故的发生，各国的科学家都在全力以赴地研制既能耐火又能防水的超级纸。2013年，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经过不懈的努力，成功地人工合成出具有良好柔韧性的羟基磷灰石超长纳米线，这段线的长度可以达到100微米以上，直径只有大约10纳米，相当于人头发丝粗细的万分之一左右。

于是，朱英杰团队便创新性地采用这段新合成的超长纳米线作为原料，成功地研制出新型耐火纸，使“纸能包住火”成为现实。这种新型耐火纸外观颜色整体是白色的，具有很高的柔韧性，可以任意卷曲，并且还耐高温，不燃烧，更重要的是，这种新型耐火纸和普通纤维纸都可以用在书写和打印机彩色打印。但当时研制的新型耐火纸虽然不怕火，但是它还是怕水的，所以还需要解决耐火纸的防水难题。

要解决新型耐火纸的防水难题，就需要使耐火纸具有超疏水性能。在这里，我们要先来简单了解一下什么是超疏水性能。

理论上来说，超疏水性能主要是指水珠在材料表面的稳定接触角大于150度并且滚动接触角小于10度，并且，这种超疏水性能的材料大部分都具有抗污、防雾、自清洁等优点，在多个领域都拥有良好的应用前景。科学家们之所以会有这样的思路，还要归功于荷叶“出淤泥而不染”的这个特点。

实际上，荷叶之所以“出淤泥而不染”，主要是因为荷叶表面上有很多微米级的蜡质凸起结构，并且在每个微米级凸起的表面又生长了许许多多的纳米结构，这样就形成了很多微纳米尺寸的小空间，这些小空间里充满了空气，形成一个一个的小气室。

而当雨水落在荷叶表面上的时候，由于球形状态下水的表面张力最小也最稳定，所以雨水就会在荷叶上形成球形水珠。这种球形水珠一般都是毫米级的尺寸大小，不能够进入尺寸更小的小气室，于是就只能在一个个小气室顶端跑来跑去。

荷叶表面还覆盖一层生物腊状物质，它是一种低表面能的物质，具有很强的疏水作用。荷叶表面的微纳米结构和生物腊状物质二者结合，相互协同作用，也就让球形水珠与荷叶表面产生了排斥性，进而造成了荷叶的超疏水性能。也正是由于荷叶表面的这些特点，使荷叶表面与水珠的接触面积变小，因此就出现了球形水珠在荷叶表面滚动并能带走灰尘的现象，这才让荷叶能够出淤泥而不染。

听过有关荷叶超疏水结构的介绍之后，我们也相应的了解了超疏水材料的重要应用价值。近年来，国内外学者利用各种方法制备超疏水材料。然而，有些制备方法不仅对仪器设备的要求比较高，而且还经常使用一些含氟化学试剂对材料表面进行化学修饰以降低其表面能，从而获得超疏水特性。但是，含氟化合物通常比较昂贵，而且具有一定的毒性，对人体和环境存在潜在的安全性隐患，所以并不适合推广使用。

2016年，经过几年的科研攻关，朱英杰团队成功地研制出一种新型防水耐火纸。这种新型防水耐火纸是采用表面吸附了具有疏水作用的油酸分子的超长纳米线作为原料制备而成的。其中，表面吸附了油酸分子的超长纳米线可以用普通的化工原料人工合成，并不需要消耗树木等宝贵的自然资源，所以说新型防水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。

不过，关于这种新型的防水耐火纸，大多数人还是有一些疑问的，接下来，我们不妨用几个问题来简单了解一些这种新型材料。

1、制备新型防水耐火纸所用的油酸是什么物质？

其实，油酸具有很多优点，例如无毒、无害、环境友好，并且价格相对来说还比较便宜。油酸广泛存在于自然界中，主要以甘油酯的形式存在于动植物油脂中。油酸在人体的新陈代谢过程中发挥着重要作用，是食物中不可缺少的营养素，并且吃一些含有油酸的食用油还有益于健康。此外，油酸的钠盐或钾盐是肥皂的成分之一。

2、新型防水耐火纸的防水性能是如何实现的？

在新型防水耐火纸的制造过程中，表面吸附了油酸分子的超长纳米线之间通过相互重叠、交织、缠绕形成纳米多孔网络结构，这种特殊的结构使得耐火纸形成类似微纳米结构的表面，再加上超长纳米线表面吸附的油酸分子具有疏水作用，因此防水耐火纸就拥有了优良的超疏水性能和防水功能。

新型防水耐火纸具有多种功能，例如高柔韧性、优良稳定的超疏水性能、良好的自清洁功能以及耐火性能。另外，科研人员所制备的防水耐火纸不仅对水具有优良的超疏水性能，对多种商业饮料也同样有这种性能，进而真正研制出了“水火不侵”的纸张。

3、新型防水耐火纸在高温等恶劣环境下还能保持防水吗？

事实上，这种新型防水耐火纸还有一个突出的优点，那就是防水性能具有很高的稳定性，即使受到物理损伤或在高温严酷环境中，它仍然能够很好地保持防水性能。虽然学术界对超疏水材料进行了深入的研究，但是要实现稳定、可抗机械损伤和外界严酷环境的超疏水性能仍然是一个很大的挑战。

超疏水表面遭受物理破坏或处于高温等严酷环境中往往不能很好地保持超疏水状态。针对这一难题，朱英杰团队提出了层状结构防水耐火纸的概念，采用经表面吸附油酸的超长纳米线作为原料成功制备出具有层状结构的新型防水耐火纸，这种防水耐火纸不仅表面层呈现超疏水状态，而且它的内部也呈现超疏水状态。当表面层受到物理破坏后，内部暴露出来的新层仍然保持超疏水状态，从而可实现耐火纸防水性能的高稳定性，让耐火纸在受到机械损伤或在高温严酷环境中仍能完好保持防水性能。

总的来说，新型防水耐火纸是科研人员几年来不屑的努力，它不仅能够防水耐火，还具有一定的自清洁性。所以，当以后的纸张逐渐替换成新型防水耐火纸后，相信未来的文献资料再也不用害怕污染损坏了，也就可以保存的更加完整长久了。