基于碳纳米管和可再生生物质的高导电性、高柔韧性的复合薄膜

《Applied Surface Science》：Highly conductive and flexible composite films based on carbon nanotubes and renewable biomass

柔性导电薄膜制备及性能优化研究基于数字印刷废纸纤维与碳纳米管复合体系，采用表面修饰耦合剂和银掺杂工艺解决分散与界面结合问题。实验表明5-AgNWs-9复合薄膜的导电率达183.27 S/cm，拉伸强度达24.17 MPa，分别较未修饰CNTs提升97倍和77.1%。该技术兼具高导电性、低成本和良好环境适应性，为废纸资源化利用提供了新途径。

　　柔性导电薄膜因其优异的导电性和可弯曲性，在柔性触摸屏、可穿戴设备等新兴技术领域展现出广阔的应用前景。然而，目前这类薄膜的发展仍面临诸多挑战，例如材料的耐久性不足、生产成本较高以及环境友好性有限等问题。为解决这些瓶颈，本研究提出了一种基于数字印刷废纸（DPWF）和碳纳米管（CNTs）的新型柔性复合导电薄膜。DPWF是一种绿色且丰富的资源，而CNTs则以其高效的导电性能成为理想的导电填料。通过机械混合、真空过滤和热压等工艺，成功制备了具有增强性能和可持续性的复合材料。此外，通过表面改性技术，对CNTs进行处理，使其与DPWF之间形成更强的化学键合，同时保持CNTs的高石墨化结构和热稳定性。为了进一步提升导电性，采用聚醇还原法在改性后的CNTs表面掺杂不同形态的银。实验结果表明，经过优化处理的CNTs-5-AgNWs-9复合材料的导电性达到183.27 S/cm，其拉伸强度为24.17 MPa，分别比未改性的CNTs提升了约97倍和77.1%。此外，该复合材料在潮湿环境中表现出良好的电导率稳定性，为高性能、低成本的柔性导电薄膜开发提供了可行路径，同时也为数字印刷废纸的高附加值利用提供了重要参考。

在柔性导电薄膜的研究中，材料的选择和性能优化是关键因素。传统导电填料如氧化铟锡（ITO）、还原氧化石墨烯（rGO）和导电聚合物如聚苯胺（PANI）和聚吡咯（PPy）虽然在导电性方面表现优异，但它们通常含有重金属（如ITO中的铟）或涉及有毒化学物质，甚至在合成过程中会释放挥发性有机化合物（VOCs），对生态环境和人体健康构成潜在威胁。因此，随着对环保材料需求的增加，植物纤维作为一种生态友好的替代材料逐渐受到关注。植物纤维不仅具有较高的纤维素含量，还具备良好的形态结构和表面特性，这使得它们成为增强复合材料性能的理想选择。然而，传统纸张制造过程中，由于墨水难以去除以及回收技术的限制，导致废纸在高附加值利用方面存在困难，从而影响其产品价值。

近年来，随着数字印刷技术和办公自动化的发展，数字印刷废纸的产量显著增加，这促使了对其高附加值利用的关注。研究者们尝试通过不同的方法，将数字印刷废纸转化为功能性材料。例如，Zhang等人采用熔融共混和注塑成型技术，将数字印刷废纸纤维与纳米纤维素和聚乳酸（PLA）结合，制备了复合材料，并通过多种改性剂如γ-甲基丙烯氧基丙基三甲氧基硅烷（KH570）、异丙基三（十二烷基磷酸盐）钛酸酯、氢氧化钠、聚乙二醇6000（PEG6000）以及复合硅烷偶联剂（KH570/PEG6000）对复合材料进行了系统改性研究。结果显示，这些改性剂有效改善了复合材料的性能，提升了其机械强度和热稳定性。此外，Palanichamy等人通过脱墨预处理、碱处理（5% NaOH）和硫酸水解（64% H?SO?）等方法，成功从数字印刷废纸中提取出高纯度的纳米纤维素颗粒（纯度达94.9%），并将其作为增强剂用于瓜尔胶薄膜的制备。实验表明，回收的纳米纤维素颗粒在生物基包装薄膜中展现出良好的增强效果，为数字印刷废纸的高附加值利用提供了新思路。

在研究过程中，我们还关注了如何利用数字印刷废纸作为柔性导电薄膜的基材。数字印刷废纸纤维不仅具有良好的纤维素和半纤维素含量，还具备良好的成膜性能、弯曲性以及较低的生产成本，使其成为制备低成本、高柔性导电薄膜的理想材料。此外，由于数字印刷废纸纤维的柔性和可加工性，其作为导电薄膜的基底也更具优势。因此，本研究采用物理混合、真空过滤和热压相结合的方法，制备了基于碳纳米管和可再生生物质的柔性复合导电薄膜。为了提高碳纳米管在液体中的分散性，并增强其与数字印刷废纸之间的化学键合，我们选择了两种含亲水基团的硅烷偶联剂——三甲氧基硅烷丙硫醇（KH590）和[3-(2-氨基乙基)氨基丙基]三甲氧基硅烷（KH792）对碳纳米管进行表面改性。通过实验，我们发现这种改性方式显著提升了导电薄膜的性能。基于偶联剂改性，我们进一步采用聚醇还原法在碳纳米管表面引入不同形态的银。为了研究导电金属对薄膜性能的影响，我们还考察了是否添加表面抑制剂FeCl?的情况。实验结果表明，经过优化处理的碳纳米管/数字印刷废纸复合材料不仅在机械性能、稳定性、柔性和导电性方面表现出色，而且在多种应用领域如导电传感器、电子设备的柔性触摸屏、可穿戴电子产品、光电转换、电磁转换、电热转换、智能包装和可回收电子产品中具有广阔的应用前景。

为了实现更高的导电性能，我们对碳纳米管的表面改性过程进行了深入研究。在传统的碳纳米管改性方法中，通常采用氧化腐蚀、高能激发实现共价键合，或者通过机械或沉积处理实现非共价键合。然而，这些方法在实际应用中往往存在一定的局限性。例如，氧化腐蚀可能导致碳纳米管结构的破坏，而高能激发则需要复杂的设备支持，增加了成本。相比之下，采用硅烷偶联剂进行表面改性则是一种更为简便且有效的方法。硅烷偶联剂不仅能提高碳纳米管的亲水性，使其更容易与数字印刷废纸结合，还能保持其原有的高石墨化结构和热稳定性。在本研究中，我们选择了两种不同的硅烷偶联剂，分别对碳纳米管进行处理，并观察其对复合材料性能的影响。结果显示，经过改性处理的碳纳米管与数字印刷废纸之间的结合更加紧密，从而显著提升了复合材料的导电性和机械强度。

在导电金属的引入方面，我们采用聚醇还原法在碳纳米管表面掺杂不同形态的银。这种方法能够在较低的温度下实现银的还原，同时避免高温对碳纳米管结构的破坏。通过实验，我们发现不同形态的银对导电薄膜的性能产生了不同的影响。例如，银纳米线（AgNWs）的引入显著提升了薄膜的导电性，而银纳米颗粒则在一定程度上增强了薄膜的机械强度。此外，我们还研究了是否添加表面抑制剂FeCl?对银的引入效果的影响。实验结果表明，添加FeCl?可以有效抑制银的团聚，使其在碳纳米管表面形成均匀分布，从而进一步提升导电薄膜的性能。这一发现为未来在柔性导电薄膜中引入其他金属或金属化合物提供了重要参考。

在实验过程中，我们还对制备工艺进行了优化。传统的导电薄膜制备方法通常涉及复杂的步骤，例如高温烧结、化学沉积或溶胶-凝胶法，这些方法不仅成本高昂，而且对环境造成一定的污染。相比之下，本研究采用的物理混合、真空过滤和热压相结合的工艺则更加环保和经济。物理混合能够确保碳纳米管和数字印刷废纸的均匀分散，真空过滤则有助于去除多余的水分和杂质，而热压则能够提高复合材料的致密性和机械性能。通过这种工艺的优化，我们成功制备了具有高导电性和良好机械性能的柔性复合导电薄膜。

在对复合材料性能的评估中，我们主要关注了导电性、机械强度、热稳定性和环境适应性。导电性是衡量导电薄膜性能的关键指标之一，而机械强度则决定了其在实际应用中的耐用性。热稳定性则关系到材料在高温环境下的性能表现，而环境适应性则影响其在不同湿度和温度条件下的使用效果。通过实验，我们发现经过优化处理的复合材料在这些方面均表现出优异的性能。例如，其导电性达到183.27 S/cm，远高于未改性的碳纳米管；其拉伸强度为24.17 MPa，比未改性的碳纳米管提升了约77.1%。此外，该复合材料在潮湿环境中表现出良好的电导率稳定性，这使其在实际应用中更加可靠。这些性能的提升不仅为柔性导电薄膜的发展提供了新的思路，也为数字印刷废纸的高附加值利用提供了重要支持。

在实际应用方面，柔性导电薄膜的潜力巨大。例如，在柔性传感器领域，这种材料可以用于制作高灵敏度、高稳定性的传感器，从而实现对环境参数的精确监测。在柔性触摸屏领域，这种材料可以用于制作轻薄、柔韧的触摸屏，提升电子设备的用户体验。在可穿戴电子设备领域，这种材料可以用于制作具有高导电性和良好柔性的电路板，使电子设备更加贴合人体，提高舒适度。在光电转换和电磁转换领域，这种材料可以用于制作高效的光电转换器件，提高能源利用效率。在电热转换领域，这种材料可以用于制作高效的电热元件，提高设备的能效。在智能包装领域，这种材料可以用于制作具有感知功能的包装材料，提高包装的安全性和功能性。在可回收电子产品领域，这种材料可以用于制作可拆卸、可回收的电子元件，减少电子垃圾的产生。

此外，我们还对材料的可回收性进行了研究。由于数字印刷废纸是一种可再生资源，其在制备过程中产生的废弃物可以通过回收再利用，从而减少资源浪费和环境污染。同时，碳纳米管作为一种高效的导电材料，其在复合材料中的使用也具有一定的可回收性。通过实验，我们发现该复合材料在使用过程中产生的废弃物可以通过物理分离和化学处理的方式进行回收，从而实现资源的循环利用。这一发现为未来在环保材料领域的研究提供了重要参考。

在研究过程中，我们还对材料的制备成本进行了评估。传统的导电薄膜制备方法往往涉及昂贵的材料和复杂的工艺，导致其生产成本较高。相比之下，本研究采用的材料和工艺则更加经济。例如，数字印刷废纸作为一种常见的废弃物，其成本较低；碳纳米管虽然价格较高，但其在复合材料中的使用量较少，从而降低了整体成本。此外，采用物理混合、真空过滤和热压相结合的工艺，避免了高温烧结等高能耗步骤，进一步降低了生产成本。这些成本的降低不仅有助于推动柔性导电薄膜的商业化应用，也为环保材料的发展提供了新的方向。

综上所述，本研究通过引入数字印刷废纸和碳纳米管，结合表面改性和优化工艺，成功制备了一种高性能、低成本的柔性复合导电薄膜。该材料在导电性、机械强度、热稳定性和环境适应性方面均表现出优异的性能，具有广泛的应用前景。此外，该研究还为数字印刷废纸的高附加值利用提供了新思路，推动了环保材料的发展。未来，随着技术的不断进步和需求的持续增长，这种新型柔性导电薄膜有望在更多领域得到应用，为可持续发展提供重要支持。