科學研究 - 超塗層技術，讓紙取代塑膠

本文根據東京大學成果發佈編譯整理而成

日本超越化研公司的代表董事岩宮質子、高能加速器研究機構的名譽教授川合將義、東京大學名譽教授柴山充弘、東京大學物性研究所技術專業職員浜根大輔及教授廣井善二，成功開發出了具備高耐水性和適當強度、價格低廉且簡單易用的二氧化矽「超塗層」技術。帶有這種塗層的紙材料和紙製品可以取代很多用途使用的塑膠容器。

削減引起海洋污染等的大量塑膠廢棄物是實施永續發展社會面臨的一大課題。需要開發能減量塑膠使用的材料，但由於塑膠具有優異的材料特性，而且以化石燃料爲原料，成本比較低，因此要取代塑膠並不容易。

超塗層材料不含任何對生物（包括人類）有害的物質，廢棄後能在環境中自然分解，因此不會對環境造成負擔。利用該塗層技術可以將塑膠容器更換成紙容器，有助於解決塑膠廢棄物問題。

另外，不僅是紙，該塗層技術還可應用於纖維和木材等多種基材，因此有望實施非常廣的應用範圍。此外，該塗層中含有大量奈米空隙，所以可向其中添加觸媒和化學物質，能在不破壞基材特性的情況下根據用途附加各種功能。

近年來，大量塑膠產品的使用導致的廢棄物增加正在迅速破壞環境，已成爲嚴重的社會問題。2015年全球生產的塑膠達到63億噸，其中9％被再利用，12％被焚燒處理，其餘79％被認爲流入了自然環境中。塑膠的化學性質穩定，具有優異的機械特性，但這也使得其不容易自然分解。尤其是在海洋中半永久地蓄積的微塑膠，已造成威脅生態系統的嚴重環境污染。爲阻止環境污染進一步加劇，需要開發能取代塑膠的生物降解性材料，但這又意味着化學性質不穩定，要取代價格低廉且使用方便的塑膠並不容易。

另一方面，自古以來就被用於各種用途的紙是由草和樹木的纖維素纖維製成的，屬於環保材料，但主要缺點是對水的耐性較差，因此很難成爲塑膠的替代品。爲彌補這個缺點，研究人員開發了各種塗層技術，但傳統的塗料含有對環境有害的物質，而且包括高額的設備投資在内，還存在成本增加的問題。

研究成果

此次開發的「超塗層」技術應用溶膠-凝膠法，採用主要成分爲甲基三甲氧基四氫化矽，添加了少量四異丙醇鈦等作爲反應促進劑的低粘性塗料溶液。研究發現，將複印紙或日本紙浸入塗料溶液之後在常溫下乾燥30分鐘左右，會在複雜混色在一起的數十微米直徑纖維素纖維（紙的成分）表面均勻形成約3微米厚的二氧化矽層（圖1）。

圖1：塗層紙的掃描電子顯微鏡影像及元素圖譜。
在複雜混色在一起的30微米直徑纖維素纖維表面均勻形成了顏色發白、主要成分爲Si(Ti)的3微米厚二氧化矽樹脂膜。

如圖2所示，該反應利用吸附在紙上的少許水和空氣中的水氣，在四異丙醇鈦的催化下自發快速進行，因此反應程序中紙不會劣化。形成的二氧化矽層具有牢固的Si–O–Si矽氧烷鍵網路，並與纖維素纖維牢固地化學鍵合，所以紙的機械強度會提高。

圖2：利用超塗層在構成紙的纖維素纖維上形成二氧化矽膜的示意圖。
首先，塗料溶液中的甲基三甲氧基四氫化矽分子（圖左上方）會與紙和空氣中存在的少量水分子發生水解反應，生成Si–OH四氫化矽醇基。其次，兩個甲基三甲氧基四氫化矽分子的四氫化矽醇基透過脫水反應形成矽氧烷鍵相連接。然後，甲基三甲氧基四氫化矽分子的四氫化矽醇基與纖維素纖維上的羥基發生脫水反應，透過Si–O–C鍵固定在纖維表面上（圖右下方）。生成的矽氧烷網路有大量空隙，因此非常柔軟，殘留在空隙中的甲基（R）具有防水性。

另一方面，矽氧烷網路中存在相對比較大的奈米級空隙，因此容易發生結構變形，不會損壞紙本來的柔軟性。另外，二氧化矽膜是無色透明的（圖3(a)），塗層紙能保留原有的質感。此外，由於矽氧烷網路中的奈米空隙中殘留着大量甲基，塗層紙能獲得更高的防水性。該塗料溶液不含任何污染環境的物質，塗層紙廢棄後在自然環境中可以像普通紙張一樣分解成無害物質。

塗布的紙製品帶有光澤（圖3(b)），表面具有防水性（圖3(c)）。利用塗層紙製作的吸管在水中浸漬3天后，形狀和強度也沒有任何變化（圖3(d)）。