日團隊研二氧化矽紙張防水、殺菌塗層，或成塑膠產品替代品減污染 – 科學狗發布於2022年7 月11日
紙容器大多使用 PE 淋膜塗層，這種廢紙容器的處理程序相當複雜。如果進入焚化爐會造成戴奧辛等空氣污染，掩埋則不易被大自然分解。東京大學 Zenji Hiroi 教授的研究團隊最近找到了一種可生物降解的 Choetsu 塗料，除了能為簡單的紙張增加防水性和強度，還能表現出抗菌活性。
科學狗這篇文章提及「Choetsu 由二氧化鈦納米粒子製成，將之噴灑在厚度為幾微米的二氧化矽基薄膜中」，描述稍嫌簡略。下則影片33秒處的說明「在塗覆過程中發生的反應會自動生成一層二氧化鈦納米顆粒」則比較精準
這種新塗料的主要成分是甲基三甲氧基矽烷（Methyltrimethoxysilane），它是製備聚合物的單體，可於土壤中分解
一些當作溶劑的異丙醇 (Isopropyl alcohol)
以及少量的 四異丙醇鈦（Tetraisopropyl titanate，TPT）
Choetsu 塗料是一種材料混合物，將其塗在紙上之後，當它接觸到空氣中的水分，會水解生成二氧化鈦，該反應是 溶膠-凝膠法 合成含 TiO2 材料的基礎。
Ti{OCH(CH3)2}4 + 2H2O → TiO2 + 4(CH3)2CHOH
當紙被噴灑或浸入這種 Choetsu 塗料中，隨後溶劑揮發而紙張乾燥後，表面就會形成二氧化矽樹脂薄膜。類似於下則影片這種DIY防水塗層，材料：去漬油+中性透明矽利康（矽氧樹脂，Silicone）
研究團隊中的 Yoko Iwamiya 曾於2021年發表一篇研究論文〈Making “Plastics” from Paper〉
將一張普通影印紙浸入塗料中 10~30 秒，然後在室溫下乾燥 30 分鐘。由於塗料的粘度低，因此無需昂貴的設備。除了簡單的浸漬外，還可以通過刷塗、噴塗和印刷等各種方法進行均勻塗布，這允許對任何形狀複雜的紙製品進行塗層。 因此，除了塗料中的低成本成分外，二氧化矽樹脂塗層的工序成本也很低。
首先是烷氧基矽烷的低聚物在溶液中與吸附在紙上的水分子發生反應，通過水解反應生成OH鍵（1），該反應由可水解的四異丙醇鈦觸發並迅速發生。然後此類低聚物通過脫水反應（2）與縮合反應（3）形成矽氧鍵，矽氧鏈具有獨特的構象柔順性，從而表現出黏彈行為。接著這些生長的聚合物透過反應（4 ）緊密附著在紙纖維的表面，產生圖片右下方的強固 Si-O-C 鍵，從而提高了塗布紙的強度和耐磨性。研究顯示可在紙纖維上形成厚度約3微米的二氧化矽樹脂薄層，並藉由與Si原子連結的甲基R賦予紙張的疏水性，而籠式結構則提供了塗布紙張的柔韌性。
當紙張折疊或弄皺時，塗膜不會剝落。這可能是因為與純 SiO2 玻璃中的剛性網絡相比，二氧化矽樹脂玻璃中具有包含甲基R的大空隙之鬆散 Si-O-Si 籠式結構。 通過測量由塗層劑所製成的塊狀玻璃，其密度是 0.925 g/cm3，普通的二氧化矽玻璃則約 2.5 g/cm3。
去年 Yoko Iwamiya 這篇論文只提到四異丙醇鈦的催化功能，尚未探討其相關的抗菌作用。Hiroi 研究團隊在這基礎上，首先確定存在著銳鈦礦（Anatase，二氧化鈦的5種礦物形式之一）四方晶系結構的晶格，其奈米顆粒並均勻分散在二氧化矽-樹脂玻璃基質中。奈米顆粒的直徑始終為~2 nm，表明分散性良好，並且藉由亞甲基藍液的降解來量測出其抗菌活性
此外，多孔二氧化矽樹脂薄層具有高吸附能力，可有效捕獲有機污染物，直到它們通過光催化反應分解。 因此，穩定的二氧化矽-樹脂-二氧化鈦複合塗層可長時間保護紙張免受環境影響，將其轉變為具有增強功能的優良塑料替代品。Hiroi 表示，技術障礙已經完成，一些應用，例如用於食用、包裝或儲存食物的物體，可能很快就會實現。團隊將這種由二氧化矽樹脂（silica-resin）製成的塗層稱為 Choetsu ，認為可緩解全球塑膠污染危機，並且塗層可彌補紙的弱點，將一次性吸管與容器等紙製品，變成可行的防水和耐用替代品。
使用帶 Choetsu 的塗層紙代替塑膠產品有助於減少有害廢棄物，更重要是 Choetsu 塗層將使這些材料長時間保持安全。它不僅可以防水，還可以保持其柔韌性和安全降解，並且可以快速、廉價且高效地完成。而且它不是永久性的，隨著時間的推移，塗層會分解成研究人員聲稱的無害成分，例如碳、水和粒狀矽。有朝一日，這種化學物質可能會產生可用於紙張的噴霧劑和塗料，使它們具有塑料的所有用途，而不會對我們的環境和身體產生不利影響。“與已經在該領域工作一段時間的研究員 Yoko Iwamiya 及團隊的其他成員一起合作，希望我們能為世界做一些真正有益的事情”，Hiroi 如是說。
參考資料：Photocatalytic Silica–Resin Coating for Environmental Protection of Paper as a Plastic Substitute