摘 要: 木質(zhì)纖維素調(diào)控液態(tài)金屬作為新興的功能材料,在各種應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。木質(zhì)纖維素中豐富的羥基、羧基等極性基團與液態(tài)金屬表面形成強化學鍵,可顯著提升界面潤濕性和黏附性,同時優(yōu)化微觀結(jié)構(gòu)定向調(diào)控能力,為柔性傳感、光熱轉(zhuǎn)換等功能化應(yīng)用領(lǐng)域提供創(chuàng)新解決方案。本文系統(tǒng)綜述了木質(zhì)纖維素調(diào)控液態(tài)金屬制備功能材料的最新研究進展,重點分析了液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點,纖維素、木質(zhì)素等不同木質(zhì)纖維素組分調(diào)控液態(tài)金屬的功能化策略;探討了復合材料在柔性電子領(lǐng)域作為柔性傳感基底的潛力,及其通過光熱響應(yīng)特性實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換在太陽能界面蒸發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用,并對未來發(fā)展方向進行了展望。
關(guān)鍵詞:木質(zhì)纖維素;液態(tài)金屬;復合材料;儲能;光熱材料
中圖分類號:TS7 文獻標識碼:A DOI:10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 06. 002
液態(tài)金屬 (liquid metals,LM) 作為一種新興前沿材料,因其優(yōu)異的流動性、導電性、可拉伸性、自愈能力和生物相容性等特性,在電化學儲能、印刷電子器件、光熱轉(zhuǎn)換材料和 3D 打印等多個領(lǐng)域顯示出廣泛的應(yīng)用潛力[1-3]。然而,LM 存在結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、易氧化等問題,導致其在特定應(yīng)用場景中存在風險,如高流動性可能引起電子器件短路,高表面張力可能影響復合材料的潤濕性,以及整體材料成本相對較高等[4]。面對這些挑戰(zhàn),國內(nèi)外研究人員積極開展 LM功能材料的性能調(diào)控研究,旨在提升其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用價值和可靠性。
木質(zhì)纖維素衍生材料因其多方面的功能特性和廣泛的來源,在 LM復合材料的構(gòu)建中受到廣泛關(guān)注[5]。這些衍生材料展現(xiàn)出優(yōu)異的機械強度、熱穩(wěn)定性及生物相容性[6]。通過物理和化學手段,可以對 LM 的微觀結(jié)構(gòu)、表面特性及界面動力學進行調(diào)控,以滿足特定應(yīng)用的需求。更為重要的是,木質(zhì)纖維素基材料富含羥基、羧基及其他極性官能團,能夠與 LM表面形成穩(wěn)定的化學鍵,從而增強兩相之間的潤濕性和結(jié)合力,提高界面相容性,這種增強的界面相容性有助于提升復合材料的機械性能和界面穩(wěn)定性。此外,部分木質(zhì)纖維素基材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能夠有效限制 LM的流動性,促進形成穩(wěn)定的微分散結(jié)構(gòu),進而增強尺寸穩(wěn)定性和形狀保持性[7]。而 LM 出色的導熱性和電磁屏蔽性能則賦予了木質(zhì)纖維素基材料新的功能[8]。這種量身定制的方法拓寬了木質(zhì)纖維素基材料的潛在應(yīng)用。因此,木質(zhì)纖維素以其獨特的結(jié)構(gòu)和屬性,為有效調(diào)控 LM提供了一條可行的途徑。木質(zhì)纖維素調(diào)控LM 構(gòu)建復合材料有助于實現(xiàn)復合材料性能的精確設(shè)計和工程控制,進而開發(fā)出能夠滿足多樣化應(yīng)用需求的高性能復合材料。
鑒于木質(zhì)纖維素在調(diào)控 LM 組裝行為方面的巨大潛力,有必要充分分析和總結(jié)這一過程的內(nèi)在機制和制備策略。因此,本文旨在討論木質(zhì)纖維素介導的 LM 復合材料在光熱、柔性傳感器和儲能等 領(lǐng) 域 的 最 新 進 展。首 先,強 調(diào) 了 LM 的 受 控 組裝以及木質(zhì)纖維素調(diào)控策略對復合材料整體性能的影響;其次,建立不同形態(tài)和特定應(yīng)用之間的相互聯(lián)系;隨后,從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度評估了木質(zhì)纖維素調(diào)控 LM 復合材料的性能。此外,本文還全面概述了木質(zhì)纖維素調(diào)控 LM 復合材料開發(fā)的挑戰(zhàn)和發(fā)展方向,以期提高這一新興領(lǐng)域的性能和應(yīng)用范圍。
1 液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)特點
LM 憑借其卓越的電子導電性和可塑性,在柔性電子器件領(lǐng)域備受關(guān)注。然而,LM 表面絕緣氧化膜的形成對電化學反應(yīng)的轉(zhuǎn)化形成了重大障礙,從而限制了其在電化學生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。Lee 等[9]開發(fā)了一種基于鎵基液態(tài)金屬共晶鎵銦合金 (EGaIn)核殼結(jié)構(gòu)的功能化電極,該電極通過組裝還原氧化石墨烯形成 EGaIn 殼核顆粒 (REG),可用于制備柔軟且可形變的電化學生物傳感器?;贓GaIn的還原特性,REG 可通過特定的取代反應(yīng)進一步與金屬納米顆粒結(jié)合,從而實現(xiàn)對電極的功能化修飾。 REG 和具有金屬涂層的REG與EGaIn集流體具有很強的界面黏附力,在機械變形期間和機械變形后不會出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。此外,集成可變形EGaIn電極的REG和金屬裝飾的電極均具有 REG 易于表面調(diào)節(jié)的優(yōu)勢,表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學傳感性能,允許同時檢測抗壞血酸、多巴胺和尿酸,還可以利用酶法檢測葡萄糖。這項工作為利用 LM開發(fā)柔軟且可變形的電化學生物傳感器奠定基礎(chǔ)。
LM 在室溫下表現(xiàn)出非牛頓流體的特性,其表觀黏度隨剪切速率變化而動態(tài)調(diào)整。這一特性使 LM能夠在室溫條件下通過印刷等工藝被圖案化,進而形成柔軟且具有可拉伸性能的電導體和熱導體。Luo 等[10]提出了一種通過反應(yīng)性潤濕機制將磁性 Fe 顆?;旌系?LM 中的策略。為了解決 Fe 顆粒和 LM 之間界面固有 的 非 潤 濕 性 , 合 成 了 Fe@FeGa2O4 顆 粒 , 其 中FeGa2O4作為 Fe 顆粒的外殼,以增強 Fe 顆粒和 LM 之間的相容性。此外,將 Fe@FeGa2O4顆粒混合到 LM中,增強了復合材料的流變性能,有效克服了 LM機械強度低的固有限制,并改善了 LM的磁、電和熱性能。炭黑也可以將LM微粒 (LMP) 互連以充當橋梁,從而賦予彈性體導電性。Singh 等[11]將 LMP 與炭黑結(jié)合在高度纏結(jié)的聚硅氧烷彈性體中,開發(fā)了一種可拉伸導電復合油墨,由于流體 LMP 的存在,LMP 分散的彈性體處于軟狀態(tài),封裝彈性體的高度纏結(jié)分子網(wǎng)絡(luò)賦予了復合材料高拉伸性和柔軟度,其較長的適用期使油墨的流變調(diào)節(jié)成為可能,進而實現(xiàn)壓力驅(qū)動的直接印刷,且無涂抹痕跡。
2 木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復合材料
木質(zhì)纖維素 (纖維素、半纖維素、木質(zhì)素) 及其衍生材料具有多尺度結(jié)構(gòu)可調(diào)、環(huán)境友好及功能協(xié)同的優(yōu)勢[12-14]。在木質(zhì)纖維素/LM 復合材料中,木質(zhì)纖維素材料的天然多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積可有效穩(wěn)定LM,防止其氧化聚集,同時賦予復合材料柔韌性、可降解性和生物相容性;而 LM的高導電性、導熱性及流動性則彌補了木質(zhì)纖維素基材料的功能局限,形成動態(tài)界面增強效應(yīng)。二者結(jié)合不僅可賦予復合材料導電/導熱、自修復、刺激響應(yīng)等智能特性,還可顯著降低傳統(tǒng)復合材料對化石原料的依賴,在柔性電子、生物傳感和光熱轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特潛力。
2. 1 纖維素/液態(tài)金屬復合材料
纖維素作為一種天然聚合物,具有高結(jié)晶度和良好的機械強度,其分子鏈中含有豐富的羥基,可以與LM 形成有效的界面相互作用,從而提高復合材料的力學性能和穩(wěn)定性。LM顆粒可以用作水凝膠引發(fā)劑、功能填料和交聯(lián)劑。Rahmani 等[15]證明了纖維素納米晶體 (CNC) 在水溶液中穩(wěn)定 LM 顆粒的作用。與使用傳統(tǒng)分子引發(fā)劑聚合的交聯(lián)聚丙烯酸 (PAA) 網(wǎng)絡(luò)相比,CNC包覆的 LM顆??梢l(fā)自由基聚合,形成具 有 優(yōu) 異 性 能 的 PAA 水 凝 膠 , 其 拉 伸 應(yīng) 變 可 達2 000%、韌性可達 1.8 MJ/m3,同時具有機械回彈性和高效自愈合性能。傅里葉變換紅外光譜、流變學和機械測量結(jié)果表明,PAA 與 Ga3+和 LM-CNC 顆粒之間的物理結(jié)合賦予了 PAA 水凝膠優(yōu)異的機械性能。同樣地,Yang等[16]在酸性條件下,采用生物大分子 (羧甲基纖維素 (CMC) 和雙鍵功能化 CMC (CMC-AGE交聯(lián)劑)) 封裝的LM液滴作為第1個網(wǎng)絡(luò),聚(丙烯酸-共丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨)(P(AA-co-DAC))作為第 2 個網(wǎng)絡(luò),成功制備 LM 摻雜導電雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠 (CMC/P(AA-co-DAC)/NaCl-LM)。 在 這 種 水 凝 膠中,2個相互穿插網(wǎng)絡(luò)之間的多重相互作用和協(xié)同效應(yīng)確保了水凝膠的多功能性 (圖1)。因此,復合水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能 (拉伸應(yīng)力 389.81 kPa,拉伸應(yīng)變 2 866.44%) 和高電導率 (5.27 S/m)。這些特性對于纖維素調(diào)控的 LM復合材料在可穿戴傳感器、能量采集器和自供電離子觸摸面板等領(lǐng)域具有廣闊前景。
纖維素調(diào)控的 LM 復合材料除了在水凝膠領(lǐng)域被廣泛研究外,其在高性能復合薄膜領(lǐng)域的研究也備受關(guān)注。然而,如何設(shè)計和開發(fā)纖維素調(diào)控的多功能柔性 LM復合薄膜仍然是一個相當大的挑戰(zhàn)。為了解決以上問題,Yang等[17]采用真空輔助過濾和冷壓縮技術(shù)制備了一種具有對稱梯度結(jié)構(gòu)的獨特電絕緣纖維素納米纖維 (CNF) /鈷鐵 (FeCo) /LM復合膜。該復合膜表現(xiàn)出優(yōu)異的面內(nèi)熱導率 (4.85 W/(m·K))和出色的體積電阻 (5.58×1011 Ω·cm)。CNF/FeCo/LM 復合薄膜的拉伸強度可達 56.28 MPa、斷裂伸長率為 21.47%、韌性為7.2 MJ/m3,這歸因于CNF與LM之間的相互作用,以及在層間形成的“之”字形斷裂路徑,有利于應(yīng)力傳遞和能量吸收。同樣地,Li 等[18]使用 LM 和細菌纖維素 (BC) 依次橋接 MXene 納米片制備了一種強度較高的MXene薄膜 (LBM薄膜),LBM薄膜拉伸強度可達 908.4 MPa。使用重復刮刀涂層循環(huán)的逐層方法可將 LBM 薄膜的取向度提高至 0.935;而具有良好變形能力的 LM 可將空隙減少至孔隙率 5.4%。BC的氫鍵和 LM的配位鍵增強了界面相互作用,從而提高了應(yīng)力傳遞效率。這些研究為設(shè)計具有電氣絕緣性能的高電磁屏蔽材料提供了一種可行的方法,對于在電子封裝中推廣使用CNF復合材料至關(guān)重要。
以上研究表明,纖維素調(diào)控 LM 制備復合材料具有纖維素來源廣泛、可生物降解的優(yōu)點,用其包覆LM 納米液滴形成的二元分散體系,能解決 LM 穩(wěn)定性問題,同時賦予復合材料多功能應(yīng)用特性。然而,目前仍存在一定局限性,如 LM的表面張力強,導致其與纖維素基體的界面張力不匹配,難以保證均勻分散。未來可考慮引入無機材料對復合體系進行改性,通過 LM和無機材料之間的交叉機械化學作用,將復合材料調(diào)控成不同狀態(tài),賦予其出色的熱力學和動力學穩(wěn)定性以及可調(diào)節(jié)的特性。
2. 2 木質(zhì)素/液態(tài)金屬復合材料
木質(zhì)素作為自然界中分布最廣的多酚類化合物之一,占木質(zhì)纖維素總量的 20%~30%。近年來,木質(zhì)素固有的結(jié)構(gòu)特性和優(yōu)異的自組裝能力在多功能材料的研究領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注[19-20]。木質(zhì)素含有大量的羥基、羧基以及雙鍵,這些官能團使木質(zhì)素在納米分散劑和納米載體中有巨大的應(yīng)用潛力[21-22]。木質(zhì)素分子的酚羥基及芳香環(huán)結(jié)構(gòu)能夠與 LM 表面形成氫鍵、配位鍵或其他類型的化學相互作用,進而實現(xiàn)對 LM的多功能調(diào)控。這種調(diào)控作用增強了木質(zhì)素和 LM之間的界面結(jié)合,提高了復合材料的力學性能和穩(wěn)定性。此外,木質(zhì)素的 3D 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可用作增強相,提高復合材料的力學性能。
近年來,生物質(zhì)包封 LM 復合凝膠智能材料,因其生物相容性和可持續(xù)性而備受關(guān)注,但其仍然無法同時具備韌性、黏附性和可恢復性等性能。因此,Wu等[23]利用木質(zhì)素對LM的微界面穩(wěn)定性制備出了同時具有韌性、自黏性和可恢復性的蛋白質(zhì)包封 LM有機凝膠 (GLMx)(圖 2)。經(jīng)木質(zhì)素改性,LM 微滴在蛋白質(zhì)基質(zhì)中均勻分散,并且與肽鏈中的氨基酸殘基存 在 密 集 的 非 共 價 相 互 作 用 (如 氫 鍵 和 疏 水 相互作用),賦予了 GLMx 高導電性 (5.4 S/m)、韌性(738.2 kJ/m3)、 自 黏 性 (最 大 搭 接 剪 切 強 度 可 達58.3 kPa) 和 可 恢 復 性 。 同 樣 地 , Luo 等[24]通 過2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧 (TEMPO) 氧化對木質(zhì)素進行改性,在木質(zhì)素表面富集了大量的羧基官能團。
TEMPO氧化木質(zhì)素能夠與LM表面的氧化層產(chǎn)生離子鍵和靜電相互作用,從而包裹 LM防止其在聚合物基體中聚集。此外,木質(zhì)素-LM混合物可使丙烯酸單體在室溫下無需額外引發(fā)劑直接聚合,從而制備導電水凝膠。這些水凝膠具有出色的自愈合、黏合、拉伸和抗菌性能,在柔性傳感器應(yīng)用中還具有高應(yīng)變傳感精度和穩(wěn)定的電輸出。這些研究為制備適用于醫(yī)療保健、人機交互和太陽能轉(zhuǎn)換等多種應(yīng)用的木質(zhì)素調(diào)控LM復合材料開辟了道路。
木質(zhì)素調(diào)控 LM 使整個復合材料的制備過程更加“綠色”,也使 LM 復合材料的應(yīng)用更具可持續(xù)性。Qiao 等[25]采 用 無 溶 劑 球 磨 法,通 過 木 質(zhì) 素 磺 酸 鹽(LS) 對 EGaIn 的 界 面 包 覆 作 用 , 成 功 制 備 了LS@EGaIn 納米微滴。通過調(diào)節(jié)球磨頻率和研磨時間,可獲得粒徑lt;200 nm的均勻LM納米微滴。此外,由于Ga2O3和LS之間形成的氫鍵,EGaIn表面被LS分子覆蓋,親水的LS賦予了LS@EGaIn納米微滴在水介質(zhì)中優(yōu)異的膠體穩(wěn)定性。LS@EGaIn 的引入顯著提升了水凝膠的力學性能,其斷裂伸長率與強度同步增強,同時賦予材料優(yōu)異的導電性和應(yīng)力響應(yīng)穩(wěn)定性,在柔性應(yīng)力傳感器及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力。類似地,Zheng 等[26]開發(fā)了一種綠色且簡便的利用工業(yè)木質(zhì)素封裝EGaIn方法,可實現(xiàn)穩(wěn)定、均勻和可重復的 EGaIn圖案化。木質(zhì)素封裝的 EGaIn顆粒具有良好的穩(wěn)定性,可以用簡單的圓珠筆在各種基材的表面上形成圖案。在彎曲和扭轉(zhuǎn) (720°) 條件下,導電軌道的電阻幾乎沒有變化。經(jīng)過分子動力學模擬與密度泛函理論計算聯(lián)合驗證,得到木質(zhì)素封裝的系統(tǒng)容 易 溶 解 和 再 生 的 結(jié) 論 。 EGaIn 的 高 效 回 收 率(96.9%) 保障了制備過程環(huán)保,為其在柔性傳感器與瞬態(tài)電路等領(lǐng)域的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
綜上所述,木質(zhì)素作為天然生物高分子材料,其豐富的酚羥基結(jié)構(gòu)可通過配位作用穩(wěn)定 LM,不僅可以抑制 LM氧化和團聚,還能賦予復合材料可降解性和界面相容性;其次,木質(zhì)素的剛性骨架與柔性 LM的協(xié)同作用可以增強復合材料的機械性能,拓展了其在柔性電子、自修復材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。然而,當前木質(zhì)素調(diào)控 LM制備復合材料具有局限性,包括木質(zhì)素/LM 界面作用機制不明確導致分散不均,高溫下LM 流動性引發(fā)的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,以及木質(zhì)素的異質(zhì)性影響復合材料的性能穩(wěn)定。因此,未來可通過化學改性 (如磺化、接枝共聚) 調(diào)控木質(zhì)素表面官能團以增強界面結(jié)合力;引入動態(tài)共價鍵或納米限域結(jié)構(gòu)提升復合材料的高溫穩(wěn)定性;建立木質(zhì)素分級純化工藝并結(jié)合原位表征技術(shù)優(yōu)化木質(zhì)素/LM復合機制。
2. 3 半纖維素/液態(tài)金屬復合材料
半纖維素是一種天然存在的多糖,通常與纖維素和木質(zhì)素共同存在于植物細胞壁中[27]。半纖維素中的羥基能夠與 LM 表面形成氫鍵或其他類型的相互作用,增強二者之間的界面結(jié)合,從而提高復合材料的機械性能和穩(wěn)定性。其次,半纖維素的分子鏈在溫濕度變化下具有良好的柔韌性,這種柔韌性可以有效分散 LM,提高材料的均勻性和整體性能。Shi等[28]通過剪切混合將由75%的鎵和25%的銦組成的塊狀EGaIn轉(zhuǎn)化為微滴,進而引發(fā)丙烯酰胺單體聚合,制備聚丙烯酰胺-半纖維素/EGaIn 微滴水凝膠,隨后將其應(yīng)用于 3D 打 印 鋅 離 子 電 池 的 自 立 式 支 架 和 陽 極 主 體(圖 3)。初始化的水凝膠構(gòu)成了一種雙共價氫鍵體系,該體系具備自愈合能力和剪切稀化特性,對 3D打印技術(shù)非常有利。在半纖維素復合網(wǎng)絡(luò)中,LM 微液滴均勻分布,有效防止了因 LM液滴流失而引起的電池短路問題。此外,該水凝膠作為一種導電和離子導電的微孔基質(zhì),能夠支持鋅離子的各向同性沉積,形成穩(wěn)定的陽極主體結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)能夠在鋅離子的可逆鍍層/剝離過程中承受微觀結(jié)構(gòu)的變化,展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
富含纖維素的紙張是一種柔韌、廉價、應(yīng)用廣泛且環(huán)保的材料,能夠與多種導電材料 (如石墨烯、碳納米管、銀納米線和 MXene 納米片) 復合,可用于制造可穿戴超級電容器、可拉伸導體和個人熱療設(shè)備等下一代可穿戴電子設(shè)備。然而,由于這些導電填料本身具有剛性,在使用過程中可能會削弱紙張的柔性和韌性。鑒于市場對輕便、薄型、環(huán)保及生物相容性設(shè)備的需求,開發(fā)不犧牲機械性能的纖維素基紙質(zhì)電子器件至關(guān)重要。為此,Wang 等[29]開發(fā)了一種半纖維素捕獲策略,以制備高強度、有韌性的 LM 紙張。結(jié)果表明,半纖維素保留率約為 20% 的全纖維素納米原纖維可有效地將納米級 LM 捕獲在原纖維網(wǎng)絡(luò)內(nèi),類似于蜘蛛絲捕獲小水滴。在片狀 LM紙張抄造過程中,可以避免 LM 的相分離和納米原纖維的聚集。納 米 級 LM 的 均 勻 分 布 消 除 了 LM 紙 張 損 傷,可 顯 著 提 高 機 械 性 能 (拉 伸 強 度 240 MPa,韌 性16.5 MJ/m3)。所得半纖維素-LM紙張可被折疊成各種形狀 (如船或折紙鶴),并且能有效支撐高達 10 N(重力加速度取 10.0 N/kg) 的負載。相比之下,缺乏半纖維素的納米纖維素抄造的 LM 紙張較脆弱,向LM 紙張中加入少量碳納米管,可使 LM 紙張具有低電 壓 驅(qū) 動 的 焦 耳 熱 性 能 , 具 有 出 色 的 發(fā) 熱 能 力(4.0 V時為 200 ℃),超越了 LM基彈性體、薄膜和紡織品。
綜上所述,半纖維素的羥基和親水性骨架可通過氫鍵、靜電作用及配位效應(yīng)有效分散并穩(wěn)定 LM。此外,半纖維素的多孔結(jié)構(gòu)和柔性鏈段可以與 LM的流動性相協(xié)同,增強材料的柔韌性和功能可調(diào)性,使其廣泛應(yīng)用于柔性傳感器和生物電子等領(lǐng)域。半纖維素在調(diào)控 LM制備復合材料時面臨的主要挑戰(zhàn)包括材料本身較低的機械強度和熱穩(wěn)定性,這使其在高溫條件下易發(fā)生分解,導致復合結(jié)構(gòu)破碎。同時,由于半纖維素的來源和提取工藝不同,其分子質(zhì)量分布不均一,影響材料性能的一致性。為了應(yīng)對以上挑戰(zhàn),可通過酯化、醚化或交聯(lián)改性等方法來增強半纖維素的熱穩(wěn)定性和界面結(jié)合力,開發(fā)分級提取和標準化純化技術(shù),并結(jié)合原位復合工藝來優(yōu)化界面相容性。
3 木質(zhì)纖維素/液態(tài)金屬復合材料的應(yīng)用
基于木質(zhì)纖維素材料調(diào)控的 LM 復合材料作為一種新型多功能材料,憑借其獨特的流體和金屬特性,不僅展現(xiàn)出多樣的理化性能,還為現(xiàn)代材料科學技術(shù)的進步提供了巨大的研究潛力。為了深入理解木質(zhì)纖維素基材料調(diào)控 LM 制備多功能復合材料的理化性能,并拓展其在不同領(lǐng)域的交叉應(yīng)用,本節(jié)全面綜述了木質(zhì)纖維素基材料調(diào)控的 LM復合材料在各領(lǐng)域的多樣化應(yīng)用。
3. 1 柔性傳感
LM 兼具金屬的導電特性和在室溫下保持液態(tài)流動的能力,被認為是紙基柔性電子設(shè)備中的理想導體。但由于 LM表面張力高且與紙張親和力有限,實現(xiàn)其精確圖案化面臨重大挑戰(zhàn)。氧化木質(zhì)素 (OL)由堿木質(zhì)素 (AL) 經(jīng)臭氧氧化制備而成,表面含有大量酚羥基和羧基,能黏附在 LM表面,具有良好的自組裝性能。因此,Tang等[30]采用OL封裝的LM微粒(LMP-OL) 作為導電油墨 (圖 4(a)和圖 4(b)),OL 的存在使LMP-OL能夠附著在各種材料表面。即使將紙張從 0°彎曲至 180°、彎曲 500 次后,LMP-OL 導體也未 發(fā) 生 斷 裂 , 并 保 持 優(yōu) 越 且 穩(wěn) 定 的 導 電 性 (約5.3 Ω),這為曲率傳感器的持續(xù)運行提供了保障。此外,這項研究還利用 3D 打印技術(shù)將墨水直接噴射到紙張、皮膚和衣服表面,探索了電容式觸摸感應(yīng)、呼吸監(jiān)測和熱管理等多種集成功能 (圖 4(c))。與傳統(tǒng)的柔性印刷電路板相比,LMP-OL的制備簡單、成本低廉,并且能夠?qū)崿F(xiàn)高效回收。LMP-OL 在人機交互、柔性設(shè)備的運動檢測和熱管理等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
超柔性 LM 復合材料在軟機器人、可穿戴電子設(shè)備和人機交互等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力。Chen等[31]開發(fā)了一種直接墨水寫入 (DIW) 3D 全打印策略,將CNF、水性聚氨酯 (WPU) 和 LM 集成在一起,制備高性能電子薄膜、電路和各種 2D 或 3D 結(jié)構(gòu)。CNF/WPU的雙分子互穿網(wǎng)絡(luò)的柔性體系有利于減少LM損壞和泄漏。此外,基于高 LM 含量 (78.0%) 的超柔性 LM 電子器件表現(xiàn)出了對彎曲變形的精準電氣響應(yīng)、良好的柔韌性和可回收的耐用性 (高達500次循環(huán))。這種全打印系統(tǒng)有助于實現(xiàn)各種器具的完全自動化、復雜結(jié)構(gòu)和精確成型。DIW3D全打印LM有望為基于 LM的可編程和多材料電子產(chǎn)品創(chuàng)建復雜的導電結(jié)構(gòu),滿足高精度、大規(guī)模和自動化生產(chǎn)的要求。
導電水凝膠在柔性傳感器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。然而,水凝膠傳感器內(nèi)部的單一網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常使其難以承受較大的機械載荷,極大地限制了其實際應(yīng)用。因此,Hang 等[32]以 CNF、氯化鎂 (MgCl2)、乙二醇和LM 為原料,構(gòu)建了一種基于聚乙烯醇 (PVA) 的高性能導電復合水凝膠。CNF和 LM 的協(xié)同作用增強了可回收水凝膠內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這使得水凝膠的拉伸強度達 3.86 MPa,斷裂伸長率高達 918.4%,在 80%應(yīng)變時的抗壓強度為4.04 MPa。此外,MgCl2和LM組成的導電網(wǎng)絡(luò)賦予了水凝膠良好的導電性。組裝的水凝膠傳感器不僅能夠檢測部分外部應(yīng)力或變形,還能夠?qū)崿F(xiàn)電碼的信號識別和信息傳輸。類似地,Wang等[33]通過將纖維素纖維衍生的碳氣凝膠與丙烯酸原位自由基聚合形成的 LM導電水凝膠封裝在一起,開發(fā)出了一種具有高導電網(wǎng)絡(luò)的碳復合水凝膠。碳復合水凝膠具有很高的拉伸強度和韌性,在用作拉伸應(yīng)變傳感材料時顯示出極高的靈敏度 (在 400%~500% 應(yīng)變范圍內(nèi)的測量系數(shù)為 13.1)、超低的檢測限 (0.1%)、快速恢復時間 (1% 應(yīng)變時的恢復時間為 166 ms) 以及出色的耐用性 (10%和100%應(yīng)變可循環(huán)1 000次)。這種高性能復合水凝膠的設(shè)計策略將為構(gòu)建可穿戴電子設(shè)備、人機交互等方面的柔性應(yīng)變傳感器提供新的思路。
3. 2 超級電容器
隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來,柔性超級電容器(F-SC)已成為可穿戴設(shè)備最有前途的電源之一。然而,快速制備具有高能量密度和可拉伸性能的 F-SC 仍是一項挑戰(zhàn)。Wang 等[34]采用激光直接寫入技術(shù),利用普魯士藍鈷鐵類似物-木質(zhì)素磺酸鈉的納米雜化物來增強羧基丁腈橡膠,制備了一種可拉伸橡膠基超級電容器。在可編程高能激光輻照的瞬態(tài)光熱作用下,納米雜化物中的木質(zhì)素磺酸鈉直接轉(zhuǎn)化為多孔碳材料,而普魯士藍鈷鐵類似物則熱解為雙金屬化合物納米顆粒,作為贗電容材料嵌入碳框架中。利用激光直接寫入技術(shù)制備的對稱互插式超級電容器,其面積電容高達 479.08 mF/cm2,能量密度高達 80.07 (μ·Wh)/cm2。為了實現(xiàn)其可拉伸性能,通過“Kirigami”技術(shù)與LM連接制造出了具有“島橋”結(jié)構(gòu)的可拉伸超級電容器。橡膠基超級電容器具有高電壓窗口和能量密度,以及出色的穩(wěn)定性,可為小型設(shè)備供電。這項工作為利用激光直接寫入技術(shù)可擴展地制備柔性儲能器件提供了新的見解,對開發(fā)橡膠基柔性電子器件和木質(zhì)纖維素基材料的高值化利用具有重要意義。
近年來,由于 CNF 薄膜具有三維結(jié)構(gòu)、柔韌性和環(huán)保性,科研工作者對利用其制備超級電容器產(chǎn)生了濃厚的興趣。Yuan 等[35]采用超聲波和真空過濾法制備了一種由 MXene (Ti3C2Tx)、CNF和 LM組成的混合薄膜 (圖5(a))。CNF和LM與MXene的結(jié)合形成了一種具有更高導電性的多孔結(jié)構(gòu),有利于離子和電子在組合物內(nèi)部的傳輸,并使材料具有更強的電化學特性,在電流密度為 5 mA/cm2時,CNF/MXene/LM 電極的面積比電容高達 871.3 mF/cm2。該混合薄膜具有出色的穩(wěn)定性,在電流密度 10 mA/cm2的條件下,經(jīng)過2 000 次 循 環(huán) 后 仍 能 保 持 546.4 S/cm 的 高 電 導 率 和96.9%的電容率。利用薄膜作為電極,制備出了高性能準固體超級電容器,厚度僅為 0.319 mm。超級電容器顯示出卓越的電學性能,在電流密度 5 mA/cm2的條件下,其面積比電容為 188.2 mF/cm2 (圖 5(b)~圖5(e))。研究表明,由CNF調(diào)控LM制備的柔性電極在超級電容器領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。
3. 3 光熱轉(zhuǎn)換
EGaIn 是一種新興的相變金屬材料,但其相變焓低、光吸收率低,限制了其在光熱相變儲能材料(PCM) 領(lǐng)域的應(yīng)用。Wei等[36]基于偶極層機理,采用球磨法制備了硬脂酸-EGaIn基PCM,該PCM具有良好的光熱性能和相變焓。纖維素氣凝膠和二硫化鉬(MoS2)可利用毛細力支撐PCM,降低界面熱阻。所制備的PCM的熱導率高達0.31 W/(m·K)(與純硬脂酸相比提高了138%),相變焓高達187.50 J/g,高于大多已報道的PCM。此外,該團隊還開發(fā)了基于PCM的熱管理系統(tǒng)和紅外隱形材料(圖6),可用于儲能設(shè)備的熱管理和紅外隱身,為制造基于 EGaIn 的智能 PCM 提供了一種新方法。為了開發(fā)具有優(yōu)異的機械彈性、可重復性和光熱轉(zhuǎn)換性能的彈性體,Shen 等[37]將 LM液滴通過超聲分散在氨基纖維素 (AC)、辛二酸改性環(huán)氧大豆油 (ESOPA) 和天然橡膠基質(zhì)的混合物中。AC 和 ESOPA 的活性基團不僅能構(gòu)建多重氫鍵網(wǎng) 絡(luò),還 賦 予 復 合 彈 性 體 優(yōu) 異 的 機 械 強 度 (1.51MPa) 和拉伸性能 (515.3%)。多重氫鍵網(wǎng)絡(luò)的斷裂和重建使復合彈性體在室溫下快速愈合,自愈合效率高達 97.28%。復合彈性體薄膜在 1 個標準太陽光的照射下被均勻加熱,照射 300 s后薄膜表面溫度迅速升至 59.9 ℃,并在 3 600 s 內(nèi)表現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性 。 加 熱 階 段 的 光 熱 轉(zhuǎn) 換 效 率 為 57.98%。 在200 mW/cm2的輻照條件下,溫度達 78.4 ℃,這表明該復合彈性體具有出色的光熱轉(zhuǎn)換性能。
由于淡水資源日益匱乏,太陽能水凝膠蒸發(fā)器受到廣泛關(guān)注。EGaIn以其出色的光熱轉(zhuǎn)換和導電性能備受關(guān)注。然而,LM在水中的分散性差且易沉積,限制了其實際應(yīng)用。為了克服這一難題,Wei等[38]開發(fā)了一種EGaIn/聚苯胺復合物(EP)和CNC作為寬帶光吸收的光吸收劑和顆粒均勻性的分散劑?;谪惣{德-馬蘭戈尼效應(yīng),以雙網(wǎng)絡(luò)PVA/聚丙烯酰胺水凝膠作為蒸發(fā)器,以水/乙二醇為溶劑來調(diào)節(jié)傳熱。加入 CNC 和EP后,水凝膠具有優(yōu)異的機械性能、光熱轉(zhuǎn)換性能和電氣特性?;趯拵Ч馕蘸拓惣{德-馬蘭戈尼效應(yīng)的結(jié)合,其蒸發(fā)率gt;1.50 kg/(m2·h)。此外,不同結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用還賦予了水凝膠多種感官功能、類皮膚功能和發(fā)電功能。這項工作展示了基于EGaIn的新型光熱轉(zhuǎn)換粒子和一種調(diào)節(jié)熱傳導的新方法,以實現(xiàn)高度太陽能驅(qū)動蒸發(fā),及多功能太陽能蒸發(fā)系統(tǒng)的集成。
4 結(jié) 語
本文綜述了基于木質(zhì)纖維素調(diào)控液態(tài)金屬 (LM)制備功能性復合材料的最新研究進展。木質(zhì)纖維素衍生材料具備可持續(xù)性、優(yōu)異的導電和導熱性能、以及柔韌性和加工性,使其在眾多領(lǐng)域中具有應(yīng)用潛力。盡管已經(jīng)通過多種改性手段增強木質(zhì)纖維素/LM復合材料的性能以適應(yīng)特定領(lǐng)域的應(yīng)用需求,但仍存在一些挑戰(zhàn)需進一步研究和解決。
(1) 在制備木質(zhì)纖維素/LM復合材料過程中,增強界面黏附和控制復合材料的均勻性是當前面臨的主要挑戰(zhàn)。當前的研究重點在于對木質(zhì)纖維素及其衍生材料進行化學改性,如通過羥基化和醚化木質(zhì)纖維素,增強木質(zhì)纖維素與 LM之間的相互作用。鑒于不同成分、結(jié)構(gòu)和尺寸的 LM復合材料的性能需求 (包括機械性能、導熱性能、電導率和化學穩(wěn)定性) 在不同應(yīng)用場景下存在差異,這些材料仍需進一步深入研究。此外,為了提高 LM的穩(wěn)定性,還需系統(tǒng)地分析并解決其固有的流動性和氧化性問題。
(2) 采用不同的調(diào)控方法或摻雜策略,制備具有多樣化特性的木質(zhì)纖維素/LM復合材料,這些材料可應(yīng)用于柔性傳感、能量存儲和光熱轉(zhuǎn)換等應(yīng)用領(lǐng)域。木質(zhì)纖維素/LM復合材料對內(nèi)部連接和外界環(huán)境極為敏感,這可能會對 LM的獨特性能產(chǎn)生影響。如內(nèi)部摻雜的顆??赡苁艿酵獠考?(如超聲波、化學和電化學刺激) 的破壞,進而影響 LM的結(jié)構(gòu)和成分。因此,深入探究 LM與木質(zhì)纖維素基材料之間的內(nèi)部和界面相互作用對于構(gòu)建高性能的木質(zhì)纖維素基 LM復合材料具有重要意義。
(3) 目前表征木質(zhì)纖維素/LM復合材料存在的問題主要包括由于木質(zhì)纖維素衍生材料的異質(zhì)性導致測試結(jié)果不一致、缺乏統(tǒng)一和標準化的測試方法、以及復合材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能之間的相關(guān)性不明確等。目前采用的表征儀器如掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和X射線衍射儀,在分辨率和實時監(jiān)測等方面存在局限性。未來的研究需聚焦于開發(fā)原位表征儀器和技術(shù),如原子力顯微鏡和同步輻射技術(shù),以實時監(jiān)測復合材料在不同環(huán)境條件下的行為。這些方法能夠提供更全面的數(shù)據(jù)分析,以揭示界面特性和材料性能之間的關(guān)系。
綜上所述,盡管現(xiàn)有的挑戰(zhàn)尚未得到解決,但隨著對木質(zhì)纖維素調(diào)控 LM制備復合材料技術(shù)的進一步深入研究,這些復合材料將發(fā)展成為一個強大而有前景的多功能平臺。
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