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上海硅酸鹽所研制出新型無機納米繩及其柔性耐火織物

2017-02-10 17:17:42 作者：本網整理來源：上海硅酸鹽研究所分享至：

眾所周知，堅硬的礦石和柔軟的織物是兩類完全不同的物品，很難想象能將二者聯系到一起。無機非金屬材料通常脆性高，要使其具有高柔韌性是一個很大的挑戰。此外，無機納米纖維由于尺寸小，容易團聚，就好像一團亂麻，很難將其編織成高度有序的結構。

最近，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員朱英杰帶領的科研團隊發明了一種高柔韌性羥基磷灰石超長納米線長程有序自組裝的新方法，實現了羥基磷灰石超長納米線從納米尺度到微米尺度再到宏觀尺度的連續快速自組裝，成功地研發出新型大尺寸有序結構無機納米繩及其柔性耐火織物，并可實現自動化快速制備。

此外，該團隊還實現了長徑比可達10000的羥基磷灰石超長納米線的大體積（5000 毫升）實驗室放大制備。相關研究工作發表在國際學術期刊《美國化學會-納米》（Feng Chen, Ying-Jie Zhu, ACS Nano, 10, 11483–11495 （2016）），并申請了一項發明專利。論文發表后不久，2016年12月14日英國Nanotechweb以Hydroxyapatite nanowires for fireproof textiles 為題對該研究工作做了報道。

研究團隊發明的方法非常簡單，只需將預先制備好的羥基磷灰石超長納米線漿料用注射器注入乙醇中，其余制備過程完全由“自組裝”快速自動完成。該方法的突出優點是簡便、快速、可控性好、環境友好、易于批量制備，可有效解決羥基磷灰石超長納米線容易團聚的難題。所制備納米繩的有序方向可以通過注射針頭的移動方向進行控制；納米繩的直徑可由注射針頭的尺寸進行控制；納米繩的長度可以通過羥基磷灰石超長納米線漿料的供給量進行控制，理論上可以達到任意長度。利用上述可控自組裝的策略，可以進一步通過控制羥基磷灰石超長納米線有序自組裝的方向，像紡織植物纖維一樣織造出各種各樣的有序結構柔性耐火產品，包括紗布狀柔性耐火織物、無紡布狀柔性耐火織物、3-D打印特定形狀產品等。

區別于傳統的高脆性羥基磷灰石材料，由羥基磷灰石超長納米線制備而成的納米繩及其織物具有高柔韌性，能經受住任意彎曲折疊甚至錘擊等破壞性考驗。另外，與傳統的無機非金屬材料如石棉和硅酸鋁纖維等相比，羥基磷灰石具有更高的生物安全性，環境友好，不會造成環境污染和危害人體健康。此外，新型納米繩和柔性耐火織物還具有良好的隔熱、耐高溫、耐火阻燃等性能，有望應用于新型耐火阻燃紡織品，例如制作防火衣服等，還可用于防火隔離材料、隔熱保溫材料、特種醫用紗布、皮膚創傷敷料、骨裂包扎固定、骨缺損修復等，在多個領域具有良好的應用前景。

羥基磷灰石是一種天然礦物，也是脊椎動物骨骼和牙齒的主要無機成分，具有優良的生物相容性，環境友好，耐高溫，不燃燒，在生物醫學等領域具有廣泛的用途。脊椎動物的牙釉質和骨骼是由高度有序的羥基磷灰石晶體構成的，但是這一體內生物礦化過程非常緩慢，通常需要很多年，因此模仿牙釉質和骨的生長過程是一個巨大的挑戰。近年來，研究者采用有機分子、模板或襯底等輔助手段合成羥基磷灰石有序結構材料，但這些合成方法具有一定的局限性，例如，所得到的羥基磷灰石有序結構的尺寸較小，而且去除硬模板或襯底容易造成有序結構的破壞。由于制備上的困難，大尺寸高度有序結構羥基磷灰石仿生材料很少有報道。

近年來，朱英杰團隊在羥基磷灰石有序結構材料研究中開展了大量探索工作，例如成功制備出羥基磷灰石納米線/納米管有序陣列仿生材料（Feng Chen, Ying-Jie Zhu et al., CrystEngComm, 13 （6）， 1858–1863 （2011））；合成出模仿牙釉質結構的接近厘米級大尺寸羥基磷灰石微米管有序陣列材料（Bing-Qiang Lu, Ying-Jie Zhu et al., Chemistry-A European Journal, 20, 7116–7121 （2014）。該研究工作是大尺寸高度有序結構羥基磷灰石仿生材料研究取得的又一進展。

目前，該研究團隊正在重點開展新型無機耐火紙的應用探索，主要研究工作包括特種無機耐火紙、耐高溫標簽紙、隔熱阻燃紙、耐火書法繪畫紙、功能化耐火紙、高效吸附過濾紙、生物醫用紙等。

相關研究工作得到國家自然科學基金、上海市科委、中科院上海硅酸鹽所創新重點項目等資助。

圖1. 所制備的新型羥基磷灰石超長納米線大尺寸有序結構柔性耐火納米繩