纸张在日常生活中有着广泛的应用，但遇到水后，纸张上书写或打印的内容会因为水的浸润而被破坏；同时，纸张的机械性能和外观也会遭到一定程度的损坏。尽管科研界和工业界对防水性纤维素纸有着极大的兴趣，但其实际应用却因复杂的制造工艺、规模化生产的限制以及有机溶剂的使用而受到阻碍。
刘善秋说，目前报道的超疏水纸制备一般都涉及有机溶剂的使用，而我们采用的无溶剂法不仅不会影响纸张自身的机械性能和外观，而且可以保留纸张的可打印性与可书写性；另外，该技术还可以直接用于纸质印刷品的超疏水防护（如纸质书籍等），而不影响其外观和可读性。
（来源：ACS Nano）
近日，苏黎世大学化学系 Stefan Seeger 教授课题组在 ACS Nano 上发表研究论文，题为《可规模化的非溶剂保护策略实现可打印和多功能超疏水纸张的制备》（Printable and Versatile Superhydrophobic Paper via Scalable Nonsolvent Armor Strategy），该研究解决了制备可打印超疏水纸的技术难题，刘善秋博士和博士生陈康伟为该论文的共同第一作者。
通常情况下，在纸张表面同时赋予其超疏水功能与可打印/可书写特性是极具挑战的技术难题。这主要是因为：
（1）超疏水功能化过程中使用的有机溶剂或水会引发纸张内纤维的重新排列，导致纸张表面起皱，降低其可打印与可书写性能；
（2）传统的超疏水涂层（如氟化物等）对油墨的附着力较差。为解决上述难题，研究者们发展了一种无溶剂策略，通过气相沉积原位生长聚倍硅氧烷纳米棒（polysilsesquioxane nanorods，PSNRs）的方法对纤维素纸进行功能化，功能化后的纸张不仅具备优异的超疏水性（水接触角大于 160º），并且仍然保有可打印与可书写的功能。
（来源：ACS Nano）
聚倍半硅氧烷纳米棒因其自身的低表面能以及特殊的纳米粗糙结构，对日常生活中书写打印用的油墨有很好的吸附作用，从而赋予修饰后的超疏水纸张可书写与可打印功能。
不仅如此，由于纳米棒和纸张之间较强的化学键作用，制备的超疏水纸张在书写与打印后依旧保有超疏水特性。此外，PSNRs 修饰策略能为纸质印刷品提供防水、自清洁和抗菌功能，而不影响其外观、可读性和机械性能。
除了在防水性书写和印刷制品方面的应用，刘善秋博士说，超疏水纸因其与水的完全不浸润特性，在其它场景中也具有潜在的应用，例如，可用作防水性纸质包装材料，以取代传统的塑料包装制品，减少因塑料制品的使用而引起的环境污染。
（来源：ACS Nano）
虽然该成果目前具备大规模应用的潜力，但是在制备成本和时间上仍然有改进的空间。刘善秋博士说，后续将对制备工艺进行优化，包括单体种类和用量以及反应时间等；目前该技术已经可以对常用的 A4 或 A0 纸张进行处理，处理时间大概在 6 小时左右，时间相对较短，但仍有提升空间。
关于实验过程，刘善秋分享道：“我们最初合成的是聚倍硅氧烷纳米丝，其反应时间比较长，一般在 12 个小时以上，但纳米丝长径比较大，机械耐磨性能不是很好；在一个偶然的情况下，通过提高反应湿度和缩短反应时间，我们合成出了长径比更低且耐机械摩擦破坏性能更好的纳米棒。
刘善秋总结道，本研究中发展的超疏水功能化方法有三个特点：首先，该方法制备的超疏水纸张具备可打印和可书写功能，且在打印书写后仍然保有超疏水特性；
其次，该方法可以直接应用到已有纸质印刷品（如书籍等）的超疏水防护而不影响其外观和可读性；
另外，通过该方法在纤维素纸张表面修饰的聚倍硅氧烷纳米棒具有较好的机械化学稳定性，能耐强酸强碱和有机溶剂的腐蚀，且可承受-196 至 200 摄氏度的极端温度。
与传统纤维素纸相比，经过 PSNR 修饰后的超疏水纸具有优异的防水、自清洁及抗菌功能，能有效缓解纤维素纸的老化，这对我们日常生活中所使用的纸质用品的防护和延长它们的实际使用寿命，具有重要的意义。
此外，采用气相原位生长 PSNR 的方法对纤维素纸进行超疏水功能化，在常温常压下就可以实施，且无需涉及任何有机溶剂的使用，能极大程度地减少制备过程中潜在的安全隐患和环境污染，这为利用可持续自然资源开发防水性功能纸质制品提供了新的契机。
刘善秋博士说，未来将继续对超疏水纸张的制备工艺及其性能进行优化，同时也会探索超疏水功能材料在水下抗腐蚀等领域的应用。
▲图 | 刘善秋（来源：刘善秋）
刘善秋博士毕业于荷兰特温特大学，后在瑞士苏黎世大学开展博士后研究工作， 现任浙江工业大学特聘教授， 2021 年入选浙江省海外高层次人才引进计划（浙江省千人计划）与运河青年学者人才计划，长期致力于功能型聚合物微纳孔材料与功能表界面的基础与应用研究。
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