• 作者简介

朱英杰 研究员（中国科学院上海硅酸盐研究所）

博士，中国科学院上海硅酸盐研究所研究员、博士研究生导师。已在国际学术期刊发表SCI论文400余篇，多篇论文入选 “ESI 高被引论文”、“封面论文”等，论文被引用约2.5万次，单篇论文最高被引1235次, H-index为83；2014年至2025年连续12次入选Elsevier发布的“中国高被引学者榜”。出版1本英文专著，为7本英文专著撰写章节。申请发明专利90项，获授权发明专利73项，其中1项美国专利获授权。

主要研究领域：纳米生物材料；新型耐火纸。

• 研究背景

宣纸是中国文化的瑰宝，至今已有大约1500年的历史。宣纸以安徽泾县青檀树皮为原料，采用传统手工工艺抄造而成，具有纹理细密、质地坚韧、润墨性好、耐老化等优点，享有“纸中之王、纸寿千年”的美誉。2009年，宣纸制作技艺被联合国教科文组织列入“人类非物质文化遗产代表作名录”。虽然宣纸具有诸多优点，但是宣纸容易燃烧，历史上许多珍贵的纸质文物和艺术作品都在火灾中化为灰烬。

近年来，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，针对宣纸存在的难题，以该团队独立研发的羟基磷灰石超长纳米线作为主要构建材料，添加自主研发的无机胶粘剂，成功研制出新型耐火“宣纸”，具有优异的书写性、润墨性、抗霉性、超长耐久性、耐高温和耐火等诸多优势。新型耐火“宣纸”白度高 (~92%)，显著高于传统宣纸的白度 (~70%)；新型耐火“宣纸”具有更优越的防霉性能，其使用寿命预期可长达1万年以上。更重要的是，新型耐火“宣纸”具有传统宣纸不具备的耐高温和耐火性能，长时间在火中灼烧也不会燃烧并保持完好。新型“耐火宣纸”有望作为耐火书法绘画纸，应用于保护珍贵的艺术作品和重要文件免于火灾的损毁。

• 文章导读

本文介绍了新型耐火“宣纸”与传统宣纸的老化性能对比研究。采用在105 ℃空气环境中加速老化1200天的方法，相当于在自然环境条件下自然老化1万年。采用多种测试技术对传统宣纸的老化机理进行了研究，包括老化前后纤维的长度/宽度及其分布、形态学特征、红外光谱分析、热重分析、H–核磁共振谱以及C-核磁共振谱。此外，对新型耐火“宣纸”在老化过程中的耐久性、抗老化性能及机理进行了研究。实验结果揭示了传统宣纸因老化导致的各种物理性能明显降低的原因和机理，也阐明了耐火“宣纸”在老化过程中保持优异性能和超耐久性的机理。

• 研究内容

众所周知，纸质书籍、书法和绘画作品在长期保存过程中会逐渐发黄并变得脆弱，该过程表明纸张的白度与力学性能逐渐降低。图1a显示在自然老化1万年过程中传统宣纸的白度随老化时间的变化。传统宣纸在老化之前的白度为72.8%。随着老化时间的延长，传统宣纸的白度持续降低。当自然老化5000年时，传统宣纸的白度由72.8%逐渐降低至36.5%，保留率为50.1%。当自然老化1万年后，传统宣纸的白度进一步降至26.1%，其保留率仅为35.9%。图1c和d显示在老化前后传统宣纸的外观存在显著差异，经过自然老化1万年之后传统宣纸呈现黄褐色，白度极低 (26.1%)。相比之下，经过自然老化1万年后耐火“宣纸”的白度仍然高达90.7%。

图1b显示传统宣纸的抗拉强度随老化时间的增长逐渐减小。传统宣纸在自然老化500年后其抗张强度由17.1 N/15 mm降低为8.8 N/15 mm，拉伸强度的保持率为51.5%。在自然老化6000年之后，传统宣纸的抗拉强度降至1.2 N/15 mm，抗拉强度的保留率低至7%。在长达1万年的自然老化之后，传统宣纸的抗拉强度进一步降至0.8 N/15 mm，抗拉强度的保留率很低 (4.7%)，传统宣纸的力学特性几乎完全丧失，且纸张变得非常脆弱易碎，轻微弯曲时极易断裂。

图1. 传统宣纸在自然老化1万年过程中的物理性能。(a) 传统宣纸的白度随老化时间的变化；(b) 传统宣纸的抗拉强度随老化时间的变化；(c，d) 传统宣纸在自然老化1万年前 (c) 与后 (d) 的照片对比。

研究了老化前后传统宣纸纤维的组成、形态、长度和宽度分布。如图2所示，随着老化时间的延长，纤维发生了断裂，而且其断裂程度逐渐加剧，断裂导致纤维长度和宽度减小。在加速老化前，传统宣纸的纤维长度分布范围较广，最大可达约2.5毫米。然而，经过自然老化1万年后，传统宣纸的纤维长度显著缩短，长度分布范围缩小至约0.5毫米以内。加速老化对纤维宽度的影响较小，经过1万年自然老化后，纤维宽度变化范围为5至25 μm。加速老化对纤维长度有较大的影响，导致纤维长度明显缩短，这是传统宣纸在老化过程中抗拉强度明显下降的直接原因。

图2. 自然老化1万年前后传统宣纸的纤维长度分布和纤维宽度分布。(a) 纤维长度分布曲线；(b) 纤维宽度分布曲线；(c，d) 老化前 (c) 与老化后 (d) 的宽度-长度分布曲线。

图3显示传统宣纸在不同老化时间的扫描电子显微图像。当自然老化时间短于2500年时，传统宣纸中纤维的形态未观察到显著变化。然而，当自然老化时间为3500年时，传统宣纸表面的纤维出现明显的碎裂现象。当自然老化时间达到5000年时，传统宣纸表面出现大面积撕裂间隙。当自然老化时间达到6000~8000年时，传统宣纸表面出现裂纹、孔洞、纤维断裂及碎裂等严重损伤。

图3. 传统宣纸在不同自然老化时间的SEM图像。

图4显示在自然老化1万年后的耐火“宣纸”未观察到明显变化，其外观仍然呈现白色，且其结构完整，在耐火“宣纸”的上下表面均观察到大量羟基磷灰石超长纳米线、无机纤维及无机胶粘剂颗粒的存在。这个实验结果可归因于羟基磷灰石超长纳米线的无机特性及其高度稳定性。实验结果揭示了耐火“宣纸”的超长耐久性及其在老化过程中保持卓越性能的内在原因。经过自然老化1万年后，耐火“宣纸”的白度从92%略微下降至90.7%，其白度保留率高达98.6%；而其抗拉强度从8.3 N/15 mm降低至7.9 N/15 mm，其抗拉强度的保留率高达95.2%。耐火“宣纸”表现出卓越的抗老化性能，即使经过自然老化1万年后仍保持性能稳定性，其白度和力学性能仍然没有明显降低。耐火“宣纸”优异的抗老化性能，结合其耐火、高热稳定性、抗霉性和超长耐久性的独特优势，为长期安全保存珍贵的艺术作品及重要的纸质文件提供了可能性。

图4. 耐火“宣纸”在自然老化1万年的外观照片和SEM图像。(b-g) 未进行老化的耐火“宣纸”；(h-m) 经过自然老化1万年后的SEM图像。

• 研究结论

本研究通过连续加速老化实验，对传统宣纸与耐火“宣纸“进行了为期1200天 (相当于自然老化1万年) 的评估。实验结果表明，随着老化时间的延长，传统宣纸的白度和抗拉伸强度显著下降，当自然老化1万年后，传统宣纸的白度下降到26.1%，其保留率低至35.9%，表明传统宣纸在老化过程中出现了严重的变黄现象；而传统宣纸的抗拉强度保留率仅为4.7%，其力学强度几乎完全丧失，纸张变得非常脆弱易碎。随着老化时间的延长，传统宣纸中的纤维发生断裂，导致纤维长度减小，这是传统宣纸抗拉强度显著降低的直接原因之一。相比之下，耐火“宣纸”的结构和性能在自然老化1万年后未观察到明显变化，其白度从92%略微下降到90.7%，其白度保留率高达98.6%，而其抗拉强度保留率高达95.2%。耐火“宣纸”表现出卓越的抗老化性能，即使经过自然老化1万年后仍保持性能稳定性，其白度和力学性能仍然没有明显降低。

原文链接：https://www.mdpi.com/1420-3049/30/2/263

• Molecules 期刊介绍

主编：Thomas J. Schmidt, University of Münster, Germany

期刊发表化学各学科领域的基础、应用以及交叉学科研究的原创性、首创性成果，主题涵盖有机化学、无机化学、药物化学、材料化学、分析化学、应用化学、天然产物化学、食品化学、物理化学、生物化学、计算与理论化学、光电化学、交叉化学、绿色化学等。目前已被SCIE (Web of Science)、Scopus、PubMed、MEDLINE、PMC、DOAJ、CAplus/SciFinder等数据库收录。

2024 Impact Factor：4.6

2024 CiteScore：8.6

Time to First Decision：15.1 Days

Acceptance to Publication：2.6 Days

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/molecules