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摘要
纸张的发明和使用是人类文明的一个重大进步。来源丰富、低成本、可再生的纤维素纸是人类文明的重要载体,极大地促进了知识和技术的交流、传承与发展。纸张同时也是一种重要的纤维基多孔材料,不仅具有柔性、廉价、来源广、环境友好的突出优势,而且具有特殊的化学性质和材料结构,可以与其他功能材料复合,在能源、分离、吸附等领域均有应用,大大提高了技术可持续性和产品的综合性能。近几十年来,现代电子产业的发展在为人类社会带来巨大变革的同时也产生了大量的电子垃圾,给环境带来越来越大的压力。因此,发展廉价、柔性、可持续的纸基电子产品和器件成为一个重要的方向。尤其是基于纤维素和纤维素纸的导电材料,由于在多个功能材料领域具有广泛的应用前景,引起了研究者的关注。本论文面向发展高性能导电纸和纸基导电材料的重要需求,基于纤维素纤维与活性物质之间的相互作用,在传统造纸技术的基础上,研究了纤维素基导电纸的规模化生产技术。主要的研究内容包括:（1）分别选用针叶木纤维和细菌纤维素纤维作为基体,通过银镜反应在纤维表面原位生成银纳米颗粒,获得导电纤维。初步探了银纳米颗粒在不同尺寸的纤维表面上的生长机理及其对纤维性能的影响,并进一步探索了导电纳米银/纤维素纤维的应用。导电纤维可抽滤成纸,电阻最低可达2.6Ωsq-1。导电的细菌纤维素纤维可以作为强度添加剂和导电添加剂与丙烯酰胺混合,制备可以反复拉伸的复合导电水凝胶。导电水凝胶电阻随拉伸应变增大而增大,在拉伸应变传感方面具备良好的应用潜力和广阔的发展前景。（2）采用简单、有效、低成本和可规模化的方法来制备氧化石墨烯/纤维素纸。在复合纸的制备过程中,利用阳离子聚丙烯酰胺诱导氧化石墨烯纳米片组装到纤维素纤维的表面。该方法有效地抑制了氧化石墨烯在复合纸中的团聚,使得氧化石墨烯在复合纸分布均匀,从而使复合纸获得了优异的机械性能和气体阻隔性能。此外,利用后续的抗坏血酸对氧化石墨烯的还原可以获得具有良好导电性的还原氧化石墨烯/纤维素复合纸(143±21Ωsq-1)。随后探讨了不同的造纸方法对复合纸性能的影响,并研究了石墨烯含量对复合纸机械性能、阻隔性能和导电性的影响,并初步探索了导电纸在电化学方面的应用。（3）将纳米银/纤维素纤维与氧化石墨烯/纤维素纤维混合,通过湿法成纸的技术和抗坏血酸的还原,获得了纳米银/石墨烯/纤维素纸。石墨烯/纤维素纤维和纳米银/纤维素纤维之间通过氢键作用力和范德华力紧密结合在一起,可制备成自独立无粘合剂电极,并应用于柔性全固态超级电容器。在整个电极体系里,纳米银/纤维素纤维作为柔性三维集流体,确保了电容器的快速充电放电过程。石墨烯/纤维素纤维提供了电化学活性位点,同时增强整个电极的机械强度和导电稳定性。随后,对超级电容器的性能进行了测试,分别研究了纳米银,石墨烯和纤维素纤维对电容器柔性,机械性能和电化学性能的影响,同时对纤维素的干燥和快速吸水特性在超级电容器的轻质运输和使用上的影响进行了探索。（4）以聚丙烯薄膜和商业打印纸为原料,通过热压的方法制备了比纸和塑料具有更好表面性能和机械性能的复合纸。该复合纸对水分和化学溶剂都表现出较强的抗性,同时保留了普通纤维素纸的特点,例如重量轻,柔韧性好和可折叠性等。基于该复合纸,开发了一种旋涂式银镜反应的无电沉积方法。通过调控银镜反应的反应层厚度解决了在传统银镜反应中膜表面会产生大颗粒的问题,并最终得到高导电、表面粗糙度低和导电稳定的银纸基电极。随后对该银纸在有机薄膜太阳能电池和有机发光二极管中的应用进行了初步探讨。
- 出版日期2019
- 单位华南理工大学
