Ứng dụng mực nanocellulose trong thiết bị điện tử in

Nanocellulose (NCC) là một loại polyme tự nhiên có thể thu được từ thiên nhiên như từ gỗ, bông, lanh, ngũ cốc, rơm rạ và bã mía.NCC là một loại sợi hoặc tinh thể có đường kính không quá 100nm và chiều dài micron. Do đặc tính nhẹ và có thể phân hủy sinh học nên độ bền của nó thậm chí có thể cao hơn các sản phẩm kim loại thông thường.NCC có thể được chia thành ba loại: sợi nano cellulose (CNF), tinh thể nano cellulose (CNC) và cellulose vi khuẩn (BC).Là một đơn vị cellulose có kích thước nano, NCC có hiệu suất tốt hơn cellulose truyền thống, có tính linh hoạt cao, ổn định nhiệt tốt, tính chất quang học và tính chất cơ học tốt, đồng thời có thể được sử dụng trong in flexo và in quy mô lớn. thế hệ tiếp theo của thiết bị điện tử 'xanh', nó có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực điện tử in.
Chuẩn bị NCC
Hiện nay, có ba phương pháp chính để điều chế NCC là phương pháp vật lý và cơ học, phương pháp hóa học và phương pháp thủy phân enzyme sinh học.
1. Phương pháp vật lý và cơ học
Phương pháp cơ học vật lý đề cập đến việc sử dụng các lực bên ngoài được tạo ra bởi quá trình đồng nhất áp suất cao, nghiền, nghiền đông, nghiền siêu âm cường độ cao và các phương pháp khác để phá hủy cấu trúc chặt chẽ bên trong cellulose và thu được sợi cellulose có kích thước nano.NCC được sản xuất bằng phương pháp cơ học có thể duy trì cấu trúc hóa học ban đầu mà không tạo ra bất kỳ nhóm tích điện nào. NCC được điều chế bằng phương pháp này có diện tích bề mặt lớn và chứa số lượng lớn liên kết hydro. Nó có cấu trúc tinh thể hoàn chỉnh và phù hợp cho sản xuất Công nghiệp.Ngoài ra, phương pháp vật lý không cần bổ sung quá nhiều thuốc thử hóa học và ít gây ô nhiễm môi trường.
2. Phương pháp hóa học
Phương pháp hóa học thường được sử dụng để điều chế và biến tính NCC Hiện nay có hai phương pháp chính là thủy phân bằng axit và oxy hóa TEMPO.
(1) Phương pháp thủy phân bằng axit
Phương pháp thủy phân bằng axit đề cập đến quá trình thủy phân cellulose trong axit để loại bỏ các phần bị rối loạn của các đại phân tử cellulose, phần tinh thể vẫn còn nguyên do có khả năng kháng axit, từ đó chuyển đổi cellulose thành tinh thể NCC.Phương pháp thủy phân lần đầu tiên được đề xuất bởi Nickerson và Habrle vào năm 1947. Họ đã sử dụng dung dịch hỗn hợp axit clohydric và axit sulfuric để thủy phân cellulose để tạo ra các tinh thể nano cellulose.Các đặc tính của NCC thu được khi thủy phân với các axit khác nhau cũng khác nhau và quá trình thủy phân bằng axit khác nhau có thể được sử dụng để điều chế NCC đáp ứng nhu cầu.Tuy nhiên, hiện nay, quá trình thủy phân bằng axit để điều chế NCC chủ yếu sử dụng các axit mạnh vô cơ như axit clohydric và axit sunfuric, có tính ăn mòn cao, không có lợi cho việc sử dụng và bảo trì thiết bị lâu dài, đồng thời cũng có tác dụng hủy hoại môi trường. .Vì vậy, cần chú ý đến việc xử lý các chất xúc tác axit mạnh vô cơ như vậy trong quá trình thủy phân bằng axit.Trong những năm gần đây, phương pháp thủy phân bằng axit cũng sẽ được kết hợp với phương pháp vi sóng và siêu âm để tăng cường khả năng thẩm thấu của axit vào cellulose và nâng cao hiệu quả điều chế NCC.
(2) Phương pháp oxy hóa TEMPO (2,2,6,6-tetramethylpiperidine oxit)
Quy trình điều chế NCC bằng phương pháp oxy hóa được thể hiện trên Hình 1.Là một chất oxy hóa nhẹ, TEMPO có thể oxy hóa có chọn lọc nhóm hydroxyl chính (-OH) ở vị trí C6 của cellulose thành nhóm carboxyl (-COOH), gây ra lực đẩy giữa các sợi cellulose và do đó làm giảm liên kết hydro giữa các sợi nhỏ, tăng thêm lực cơ học. lực có thể được áp dụng để đạt được sự tách biệt với nhau.Trong quá trình oxy hóa TEMPO của cellulose, sự tương tác giữa các vi sợi cellulose yếu đi. Tính năng này có thể được sử dụng để đạt được hiệu quả chiết xuất NCC.Các điều kiện oxy hóa của phương pháp oxy hóa TEMPO nhẹ và ít gây ô nhiễm môi trường. NCC được tạo ra bằng phương pháp này có kích thước đồng đều và độ phân tán tốt, cho phép các sợi nano cellulose được chức năng hóa hơn nữa.Tuy nhiên, giá thành của phương pháp này cao và hiệu suất của NCC tạo ra không ổn định.NCC được điều chế bằng phương pháp oxy hóa TEMPO được sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm điện tử, bao bì, sản xuất giấy và các lĩnh vực khác. Hiện nay, nghiên cứu trong nước về NCC do TEMPO điều chế vẫn chưa hoàn thiện.

3. Thủy phân bằng enzyme
Thủy phân bằng enzyme là một phương pháp thân thiện với môi trường hơn. Hệ thống cellulase bao gồm end-β-glucosidase, exo-β-glucosidase và β-glucosidase có thể được điều chế thông qua sự tương tác giữa ba loại này.Ba cái trên có chức năng khác nhau ở những vị trí khác nhau và cả ba đều không thể thiếu.Tuy nhiên, quá trình phản ứng thủy phân bằng enzym có yêu cầu rất cao về dung môi, giá trị pH, điều kiện nhiệt độ,… và thời gian chuẩn bị lâu nên phải đảm bảo hoạt động của enzym.Trong những năm gần đây, các phương pháp xử lý bằng enzyme sinh học thường được sử dụng kết hợp với các phương pháp hóa học và phương pháp cơ lý khác để điều chế NCC. Sự kết hợp giữa các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học không chỉ có thể tiết kiệm năng lượng mà còn nâng cao hiệu quả điều chế NCC.Quá trình thủy phân bằng enzyme thân thiện với môi trường và đòi hỏi các vật liệu tái tạo, đóng một vai trò quan trọng trong mục tiêu phát triển xanh và bền vững hiện nay.
Dựa trên những ưu điểm khác nhau của NCC, chúng ta có thể thêm vật liệu NCC vào mực in ban đầu hoặc trộn các vật liệu khác với vật liệu NCC để tạo ra mực NCC cho các thiết bị điện tử có hiệu suất tốt hơn thông qua các công nghệ in khác nhau.
Điện tử in
Thiết bị điện tử in là thiết bị điện tử được chế tạo bằng cách in các loại mực chức năng khác nhau trên các vật liệu in khác nhau tùy theo nhu cầu thông qua 'sản xuất phụ gia và in từng lớp', sau đó sấy khô và thiêu kết chúng.Do các mạch và linh kiện được in trực tiếp trên đế nên cấu trúc hoàn chỉnh và tích hợp, có khả năng kết nối tốt.Đồng thời, các thiết bị điện tử dựa trên vật liệu dẻo mỏng và có thể uốn cong, thích ứng với nhiều yêu cầu về hình dạng khác nhau, có tính di động tốt và có triển vọng ứng dụng tốt.
NCC, là một vật liệu hoạt tính keo phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, đã được sử dụng rộng rãi trong vật liệu dẫn điện và sản xuất điện vì các đặc tính của nó như độ dẫn điện, hoạt tính hóa học và hoạt động quang học cao, trọng lượng nhẹ, giá thành thấp, độ bền cao và thân thiện với môi trường. sự thân thiện. Các thiết bị và vật liệu chủ chốt như máy móc, cảm biến, pin mặt trời và điốt phát sáng đang đóng vai trò ngày càng quan trọng.Với sự trưởng thành của in lụa, in 3D và các công nghệ khác, ứng dụng của chúng trong việc chế tạo các thiết bị vi điện tử ngày càng trở nên phổ biến.
1.Máy phát điện
Năm 2012, Giáo sư Wang Zhonglin và nhóm của ông từ Viện Công nghệ Georgia lần đầu tiên báo cáo về máy phát điện nano ma sát (TENG).Máy phát điện nano ma sát có thể chuyển đổi năng lượng cơ học do các thiết bị tạo ra trong quá trình ma sát thành năng lượng điện và thu thập nó.Viết và in trực tiếp (DIW) là một loại in 3D có thể in từng lớp vật liệu cần thiết dựa trên các tệp được truyền vào thiết bị, có thể cải thiện độ chính xác của thiết bị sản xuất và từ đó cải thiện hiệu suất của máy phát điện nano.Mực cần thiết cho DIW có thể được điều chế bằng cách thêm các thuốc thử khác vào bột sunfat đã tẩy trắng bạch đàn thông qua phương pháp đồng nhất oxy hóa-áp suất cao trong một số điều kiện nhất định. Loại mực này có thể được sử dụng để in lớp ma sát của máy phát điện nano ma sát.Sử dụng công nghệ DIW để chuẩn bị cực âm CNF (như trong Hình 2), cực âm CNF thu được không chỉ có cấu trúc hoa văn trên bề mặt mà còn có nhiều cấu trúc xốp dạng lớp bên trong, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả ma sát của thiết bị thu được.Việc giới thiệu màng composite CNF được điều chế từ vật liệu nano dẫn điện và sắt điện làm vật liệu tích điện ma sát cho máy phát điện nano ma sát có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của máy phát điện.

2. Đi-ốt phát quang (LED)
Đèn LED được làm từ các hợp chất có chứa gali, asen, phốt pho, nitơ, v.v.NCC có thể được áp dụng cho đèn LED, điều này không chỉ mở rộng phạm vi ứng dụng của NCC một cách hiệu quả mà còn cho phép chế tạo giấy nano có chức năng điều khiển quang học (như trong Hình 3).Do kích thước của giấy nano tương tự như bước sóng ánh sáng nên nó có những đặc tính quang học mà giấy thông thường không có được, có thể dùng làm tấm che để đáp ứng yêu cầu điều chỉnh các đặc tính quang học của đèn LED.

3. Thiết bị cảm biến đeo được linh hoạt
Các thiết bị cảm biến đeo được có thể được gắn trực tiếp vào da người hoặc tích hợp vào quần áo của người dùng và có thể theo dõi liên tục và chặt chẽ những thay đổi trong thông tin sinh lý của người dùng, điều này có ý nghĩa rất lớn trong chẩn đoán và điều trị bệnh.Các thiết bị cảm biến đeo được chủ yếu bao gồm ba phần: chất nền linh hoạt, phần tử cảm biến và phần tử đầu ra tín hiệu, trong đó phần tử cảm biến đặc biệt quan trọng.NCC có diện tích bề mặt riêng cao, có thể tăng diện tích tiếp xúc giữa cảm biến và phân tử mục tiêu một cách hiệu quả, từ đó cải thiện độ nhạy phát hiện cảm biến và đóng vai trò tích cực trong các thiết bị cảm biến đeo được.Ngoài ra, vật liệu cellulose cũng có thể cải thiện khả năng chống gấp và đặc tính kéo của cảm biến, đồng thời mở rộng phạm vi biến dạng của cảm biến. Ví dụ, cảm biến mồ hôi đa phương thức sử dụng vật liệu cellulose (như trong Hình 4) có thể được cố định trực tiếp. trên da người, đạt được khả năng phát hiện đồng thời các dữ liệu như giá trị pH, axit lactic, glucose và clorua.

4. Pin mặt trời
Giá trị khói mù của giấy nano CNF có liên quan đến khoảng cách.Lý do khiến giấy nano CNF trông hoàn toàn trong suốt hoặc mờ là do kích thước của CNF nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến ​​và hệ số tán xạ nhỏ khiến ánh sáng gần như không thể tán xạ.Trong trường hợp này, độ trong suốt của CNF rất cao. Bằng cách điều chỉnh kích thước của sợi hoặc các lỗ bên trong, hệ số tán xạ có thể được điều chỉnh, từ đó ảnh hưởng đến độ trong suốt của CNF.Do đó, giấy nano CNF có thể được sử dụng làm tấm che có tổng độ truyền ánh sáng cao/giá trị sương mù cao (như trong Hình 5) để cải thiện tỷ lệ sử dụng ánh sáng mặt trời của pin mặt trời, trong khi giấy có độ trong suốt cao và độ mờ thấp phù hợp hơn cho các ứng dụng trên màn hình.

5. Siêu tụ điện (SC)
Khi tình trạng thiếu năng lượng và các vấn đề sinh thái ngày càng trở nên nghiêm trọng, mọi người bắt đầu chuyển sự chú ý sang năng lượng tái tạo xanh.Là một loại thiết bị lưu trữ năng lượng mới, siêu tụ điện đã thu hút nhiều sự chú ý nhờ mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài, tốc độ sạc và xả nhanh, phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng và nguyên lý chuẩn bị đơn giản.Ngày càng có nhiều vật liệu dựa trên xenlulo được sử dụng làm vật liệu thay thế cho các vật liệu như nhôm, sắt, gali và indium trong các vật liệu năng lượng truyền thống.
Điện cực là một trong những vật liệu chính để chế tạo siêu tụ điện và có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của chúng. Nghiên cứu về vật liệu điện cực có hiệu suất tuyệt vời luôn thu hút sự chú ý của ngành.Nhờ diện tích bề mặt riêng lớn và cấu trúc lỗ rỗng tuyệt vời, NCC có thể hấp thụ các ion điện phân tốt hơn và kết hợp nó với vật liệu dẫn điện có thể tạo ra vật liệu điện cực có đặc tính điện hóa tuyệt vời.Nó có thể được sử dụng như một bộ xương linh hoạt để kết hợp với các chất dẫn điện có đặc tính điện hóa tuyệt vời hoặc có thể được cacbon hóa trực tiếp làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện, từ đó thu được vật liệu điện cực cho các thiết bị lưu trữ năng lượng linh hoạt có điện dung riêng cao và độ ổn định điện hóa cao.Đưa NCC vào điện cực có thể giảm chi phí sản xuất và tối ưu hóa hiệu suất.
Siêu tụ điện linh hoạt có mật độ năng lượng cao hơn, tuổi thọ dài hơn, tốc độ sạc và xả nhanh hơn pin truyền thống, dễ lắp ráp và nhẹ. Chúng không chỉ đáp ứng yêu cầu của các thiết bị điện tử lưu trữ năng lượng đeo được mà còn phù hợp với xu hướng phát triển mới. vật liệu thân thiện với môi trường, có tiềm năng ứng dụng lớn.
Là một loại vật liệu mới có thể lấy trực tiếp từ thiên nhiên, NCC có ưu điểm là diện tích bề mặt riêng cao, trọng lượng nhẹ, độ bền cao, xanh và dễ phân hủy, v.v., đáp ứng các yêu cầu phát triển về xanh và bảo vệ môi trường. được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử linh hoạt, điốt, siêu tụ điện, v.v. Vật liệu chức năng tổng hợp và các lĩnh vực khác có triển vọng ứng dụng rộng rãi.Các nghiên cứu liên quan đã chỉ ra rằng NCC biến tính là vật liệu xanh có thể hấp thụ các ion kim loại nặng trong nước và có thể được sử dụng để lọc hấp phụ.Do tính chất cơ học tuyệt vời, tính chất quang học độc đáo và khả năng tương thích sinh học tốt, NCC cũng có thể được sử dụng làm vật liệu chống hàng giả.
Tuy nhiên, vật liệu NCC vẫn còn nhiều nhược điểm, chẳng hạn như chúng cần được kết hợp với các polyme dẫn điện khác, vật liệu cacbon, hợp chất kim loại và các chất dẫn điện khác trước khi có thể tiếp tục được sử dụng trong các thiết bị lưu trữ năng lượng linh hoạt, thậm chí NCC còn dễ bị biến dạng; bị vỡ khi tiếp xúc với ngoại lực, độ bền cơ học của nó cần được cải thiện hơn nữa; đồng thời, NCC có đặc tính ưa nước tuyệt vời do số lượng lớn các nhóm hydroxyl tiếp xúc trên bề mặt của nó sẽ ảnh hưởng đến độ bền cơ học của nó ở một mức độ nhất định. và hạn chế nghiêm trọng phạm vi ứng dụng và hiệu quả ứng dụng của nó.Vì vậy, khi nghiên cứu và sử dụng vật liệu NCC, cần tăng cường mối liên kết giữa các ngành liên quan đến NCC và xem xét đầy đủ liệu vật liệu được sử dụng có làm giảm khả năng chống chịu thời tiết của các thiết bị năng lượng hay không và cách giải quyết những vấn đề này.