科学研究 - 超涂层技术，让纸取代塑料

本文根据东京大学成果发布编译整理而成

日本超越化研公司的代表董事岩宫质子、高能加速器研究机构的名誉教授川合将义、东京大学名誉教授柴山充弘、东京大学物性研究所技术专业职员浜根大辅及教授广井善二，成功开发出了具备高耐水性和适当强度、价格低廉且简单易用的二氧化硅“超涂层”技术。带有这种涂层的纸材料和纸制品可以取代很多用途使用的塑料容器。

削减引起海洋污染等的大量塑料垃圾是实现可持续发展社会面临的一大课题。需要开发能减少塑料使用的材料，但由于塑料具有优异的材料特性，而且以化石燃料为原料，成本比较低，因此要取代塑料并不容易。

超涂层材料不含任何对生物（包括人类）有害的物质，废弃后能在环境中自然分解，因此不会对环境造成负担。利用该涂层技术可以将塑料容器更换成纸容器，有助于解决塑料垃圾问题。

另外，不仅是纸，该涂层技术还可应用于纤维和木材等多种基材，因此有望实现非常广的应用范围。此外，该涂层中含有大量纳米空隙，所以可向其中添加催化剂和化学物质，能在不破坏基材特性的情况下根据用途附加各种功能。

近年来，大量塑料产品的使用导致的垃圾增加正在迅速破坏环境，已成为严重的社会问题。2015年全球生产的塑料达到63亿吨，其中9％被再利用，12％被焚烧处理，其余79％被认为流入了自然环境中。塑料的化学性质稳定，具有优异的机械特性，但这也使得其不容易自然分解。尤其是在海洋中半永久地蓄积的微塑料，已造成威胁生态系统的严重环境污染。为阻止环境污染进一步加剧，需要开发能取代塑料的生物降解性材料，但这又意味着化学性质不稳定，要取代价格低廉且使用方便的塑料并不容易。

另一方面，自古以来就被用于各种用途的纸是由草和树木的纤维素纤维制成的，属于环保材料，但主要缺点是对水的耐性较差，因此很难成为塑料的替代品。为弥补这个缺点，研究人员开发了各种涂层技术，但传统的涂料含有对环境有害的物质，而且包括高额的设备投资在内，还存在成本增加的问题。

研究成果

此次开发的“超涂层”技术应用溶胶-凝胶法，采用主要成分为甲基三甲氧基硅烷，添加了少量四异丙醇钛等作为反应促进剂的低粘性涂料溶液。研究发现，将复印纸或日本纸浸入涂料溶液之后在常温下干燥30分钟左右，会在复杂交织在一起的数十微米直径纤维素纤维（纸的成分）表面均匀形成约3微米厚的二氧化硅层（图1）。

图1：涂层纸的扫描电子显微镜图像及元素图谱。
在复杂交织在一起的30微米直径纤维素纤维表面均匀形成了颜色发白、主要成分为Si(Ti)的3微米厚二氧化硅树脂膜。

如图2所示，该反应利用吸附在纸上的少许水和空气中的水蒸气，在四异丙醇钛的催化下自发快速进行，因此反应过程中纸不会劣化。形成的二氧化硅层具有牢固的Si–O–Si硅氧烷键网络，并与纤维素纤维牢固地化学键合，所以纸的机械强度会提高。

图2：利用超涂层在构成纸的纤维素纤维上形成二氧化硅膜的原理图。
首先，涂料溶液中的甲基三甲氧基硅烷分子（图左上方）会与纸和空气中存在的少量水分子发生水解反应，生成Si–OH硅烷醇基。其次，两个甲基三甲氧基硅烷分子的硅烷醇基通过脱水反应形成硅氧烷键相连接。然后，甲基三甲氧基硅烷分子的硅烷醇基与纤维素纤维上的羟基发生脱水反应，通过Si–O–C键固定在纤维表面上（图右下方）。生成的硅氧烷网络有大量空隙，因此非常柔软，残留在空隙中的甲基（R）具有防水性。

另一方面，硅氧烷网络中存在相对比较大的纳米级空隙，因此容易发生结构变形，不会损坏纸本来的柔软性。另外，二氧化硅膜是无色透明的（图3(a)），涂层纸能保留原有的质感。此外，由于硅氧烷网络中的纳米空隙中残留着大量甲基，涂层纸能获得更高的防水性。该涂料溶液不含任何污染环境的物质，涂层纸废弃后在自然环境中可以像普通纸张一样分解成无害物质。

涂布的纸制品带有光泽（图3(b)），表面具有防水性（图3(c)）。利用涂层纸制作的吸管在水中浸泡3天后，形状和强度也没有任何变化（图3(d)）。