球形纳米纤维素酶解制备与柔性透明导电膜应用

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纤维素是地球上最丰富的可再生资源,纳米纤维素作为其最重要的衍生物之一,具有高比表面积、高机械性能和良好的热稳定性等一系列优点。目前国内外主要采用酸水解、氧化和机械均质的方法来制备纤维素纳米晶体(CNCs)及纤维素纳米纤丝(CNF)。但这些方法存在污染大或耗能高等缺点。酶解法制备纳米纤维素,因其绿色环保、反应条件温和和专一性等多种优势,受到越来越多的重视和关注。纳米纤维素用于制造柔性透明导电膜是其重要应用之一。随着现代科技快速发展,电子产品更新迭代加快,生命周期不断缩短,带来能源消耗、环境污染等一系列问题。生物可降解的电子器件和组件是解决该问题的最有潜力的方法之一。可生物降解柔性透明纳米纤维素膜是一种性能优异的膜材料,可用于电子器件基底与柔性电子显示屏等。采用总酶活为300μ/m L的复合酶水解桉木桨板4小时,制备出直径为30nm左右球形CNCs(SCNCs)。通过p H为2的稀酸絮凝和多次洗涤,并采用离子色谱和考马斯亮蓝G-250定量分析杂质含量,最终获得纯度约为99.99%的球形CNCs。分析表明纯球形CNCs仍然保留天然纤维素结构,但结晶度有所降低;热稳定性较好,最快分解温度(Tmax)为329.5℃,比其他方法所得纳米纤维素最高可提高约95℃。将球形CNCs与条形CNCs(RCNCs)作为增强剂分别加入到聚乙烯醇(PVA)溶液中,溶液浇铸法制备出不同含量的PVA/CNCs柔性透明膜,并对比其增强效果。两种形貌CNCs在PVA中分散性能良好,对复合膜透明度影响较小,其中最低为89.32%(PVA/RCNCs-6.0)。分析表明,随着CNCs含量的增加,复合膜的结晶度都呈现先降低后增加再降低的趋势,结晶度最大为46.67%(PVA/RCNCs-4.0)。在热稳定性能方面,RCNCs的加入对复合膜热稳定性影响较小,而球形CNCs的加入却提高了50-90℃。在机械性能方面,条形CNCs的复合膜机械性能高于球形CNCs。当加入1.0%的RCNCs时,复合膜的拉伸应力和杨氏模量最大,分别为64.28±0.65 MPa和659.83±41.37 MPa,相对于纯PVA分别提高了100.62%和120.97%。采用水热法制备纳米银线(AgNW),并旋涂到PVA/CNCs复合膜上制备柔性透明导电膜。水解3小时,制备出长宽比在500左右的纯净的AgNW线。通过控制旋涂AgNW次数来调节PVA/CNCs/AgNW复合膜的透明度和导电性,当旋涂四次时,方阻可达12.9Ω/£,透明度仍有72.65%。经过5次刮擦测试,复合膜方阻为22.1Ω/□,对AgNW有良好的粘连性。
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