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成果推介:只需两步,木头变成透明纸!木材制备各向同性透明纸研究取得新进展

2018-09-13 发布者: 

木材制备各向同性透明纸   

  

近日,南京大学祝名伟副教授和美国马里兰大学胡良兵副教授合作在木材为原料制备新材料方面又有新进展。   

该论文提出了自上而下的新方法,直接利用木材,只需两步即获得了各向同性的透明纸:   

1. 去除木质素以消除木质素中的有色基团对光的吸收;   

2. 利用压力将去除木质素的木片压实,消除散射源达到光学均匀性和透明性。   

此方法不再需要纳米纤维素纤维的制备、分离和浓缩步骤,因此解决了传统方法工艺复杂、耗时、耗水、耗能的问题。同时可推广到利用草本原料制备透明纸,如竹子、草等,将进一步降低透明纸的成本。   

此透明纸仍然由纳米纤维素纤维组成,具有很高的透明度(~90%,和雾度(>80%),是一种环境友好、可生物降解的绿色材料,可应用在柔性电子、光学等器件方面。

   

1 自下而上与自下而上制备透明纸方法的工艺步骤对比   

透明纸可以简单有效地从木材制备出来,首先将木材切成片状,去除其木素,然后施加压力,即可得到具有高透明度和雾度的透明纸。    

SEM中可以看到木材和透明纸的微结构具有很大的不同。木材的结构是多空的(b),并且具有取向排列的纤维素纤维,是各向异性的;而透明纸是非常致密的,利用AFM可观察到其纳米纤维素纤维的随机排列。由XRD图也证实木材是各向异性的,而透明纸是各向同性的。   

 

2 木材的各向异性微结构与透明纸的各向同性微结构的对比    

  

这种自上而下的方法可以通过压缩比(PR)方便地调控透明纸的密度从而调控光学性质。图中显示,随着PR的增大,透明纸的透过率增加,但到达一定压缩比后,透过率到达最大值,基本稳定在90%左右;但随着PR增大,雾度持续减小,这反映了其中微结构的变化。    

3 透明纸的压缩比与光学性质的关系   

各向同性透明纸可以作为电子器件衬底。将透明纸作为石墨烯晶体管衬底材料,其中源-漏极电流随着源漏极电压的变化显示典型的欧姆接触,源-漏极电流随着门电压的变化图(源漏极电压为10mV),显示二极管的典型特性,证明透明纸可以应用于柔性透明电子器件衬底材料。这种器件使用后可抛弃,其生物降解特性使其可以回归自然,不会危害到周围环境。 

   

4 透明纸作为电子器件衬底的应用及其生物可降解展示   


对比传统的自下而上方法制备透明纸的工艺流程,本研究方法工艺简单,只需两步,去除木质素和冷压,且涉及化学药品仅一种,而传统方法工艺复杂,需要多种化学试剂来制备纳米纤维素纤维,再抽滤冷压。这两种方法在时间、化学试剂、水、能源消耗的对比明显,且本自上而下的方法工艺简单,成本低,需要能量少,无需复杂或者昂贵仪器设备,且环境友好。 

   

5 本自上而下与传统的自下而上的透明纸制备方法的详细对比   

  

应用领域    

目前柔性电子的衬底材料有透明塑料,柔性玻璃,金属箔等,其中最常用的还是塑料。塑料因其分子稳定,降解周期长使得塑料垃圾正在席卷全球。因此迫切需要一种具有透明、柔韧、可自由弯曲甚至折叠、又环境友好可生物降解的电子器件衬底材料。    


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