Kirigami处理下纤维素纳米纤维薄膜在智能对流散热中的应用研究

李仁焕

（南宁学院，广西 南宁 530299）

散热装置作为一种传导、释放能量的器械，被广泛应用于计算机、供暖设施等领域。近年来，随着经济的稳步发展，人们的生活水平日益提升，对散热装置的需求不断提高。智能对流散热装置作为一种新型散热器械，具有散热快、安全性高等优势，深受人们喜爱。本研究试图通过Kirigami处理，将纤维素纤维薄膜应用于智能对流散热装置，提升该装置的散热性能、热稳定性和对流效果。

1 Kirigami处理方法

Kirigami通常运用于可拉伸整合电子元件等方面，在纳米石墨烯、纳米发电机以及可拉伸锂离子电池等领域均有广阔的应用前景[1]。此外，Kirigami在刚性材料中具有可折叠性和可拉伸性，能形成类似于肌肉的另外一种仿生形态。具体而言，Kirigami技术能改变相关基材的倾斜角度，形成特定的力学行为，进一步实现三维结构变化。因此，基于Kirigami方法的三维结构，制备集导热性、导电性和过滤性等特征于一体的膜材料，使其具有多层次结构，以此研究不同尺寸对智能对流散热装置的影响。

2 纤维素纳米纤维薄膜

2.1 纤维素纳米纤维类别

近几年，随着社会经济的发展，人们的环保意识日益增强，对可再生材料的关注度越来越高。作为地球上最丰富的天然高分子，天然纤维素被视作多种材料的重要选择。天然纤维素经过化学、物理以及生物处理方法处理后，得到的纳米纤维素具有多种独特的优势和性能，如可降解性、可再生性以及光学性等[2]，而通过该纤维素还可制成一种高性能复合材料—纤维素纳米纤维薄膜。

纤维素纳米纤维包括3类（图1）：一是利用天然纤维素的酸水解制备的包括无固定形状区域和结晶区域的纤维素纳米晶体或纳米晶须，再进一步利用酸水解对已提取的纤维素纳米晶体的纤维尺寸进行纳米级降低处理。在此过程中，为防止纤维间出现集聚现象，可利用经过冷冻和干燥处理的纳米微晶纤维素（CNCs），后续对其进行快速分散处理。二是利用高剪切机械瓦解纤维素纤维，进一步添加部分纤维素酶处理并制备微纤化纤维素，如将木质纤维素作为原材料，利用高剪切机械制备微纤化纤维素。这种从木质中提取的微纤维素主要由多个微纤维聚集体构成，具有较高刚度，可作为聚合物纳米复合材料，并在生物合成过程中形成横向尺寸仅为4 nm的纤维体。另外，用木浆制取的微纤化纤维素是一种具备高机械性能的纤维材料。三是利用TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基）催化氧化天然纤维素纤维，对经过氧化的纤维素纤维进行机械处理，最终制备出纳米纤维素。目前，TEMPO催化氧化结合均质化处理方法成为纳米纤维素制备的主要方式，该方法在实施过程中，需针对纤维素纤维进行有效氧化预处理，将纤维素C6位伯醇羟基氧化成羧基，随后经过均质化处理制取纤维素纳米纤维。

图1 纤维素纳米纤维分类

2.2 纤维素纳米纤维薄膜特性

2.2.1 导热性

纤维素纳米纤维薄膜通过加工能形成高密度片材，并拥有较高的导热性。通过天然贝壳提炼纤维素纳米纤维，可制得高密度纳米薄膜。分析导热系数结果发现，该纳米薄膜的导热性相当于普通材基导热性能的10倍之高。这种良好的导热性产生的原因在于纤维素分子呈高晶体结构排列。

2.2.2 导电性

作为超级电容器的重要基材，纤维素纳米纤维薄膜具有电解质吸收性能良好的优势。同时，相较于玻璃、塑料等传统基材，纤维素纳米纤维薄膜并不需要采取任何预处理措施。在实际研究过程中，将纳米片和纳米颗粒作为载体，使带正电荷的纳米线在纤维素纳米纤维薄膜试纸上沉淀，以此制备出多层薄膜电极。S-PG-8和S-PP-8是两种具有较强韧性的透明柔性薄膜超级电容器，利用氢碘酸（HI）将该膜转化为导电膜，可加强纤维素纳米纤维薄膜的导电性。

2.2.3 过滤性

近年来，新型超滤膜受到多个领域学者的青睐。纤维素纳米纤维薄膜由多层薄膜组成，充分体现了有效的过滤性能。具体而言，纤维素纳米纤维薄膜顶层的阻隔层为TEMPO氧化纳米纤维素（TEMPO-Oxidized Cellulose Nanofiber，TOCNs），中间层由静电纺丝支架组成，支撑基材为PET无纺布，最终组合成一种具有过滤性的纤维素纳米纤维复合膜。该膜平均孔径大小约为55 nm，过滤性是不含TOCNs阻隔层的普通滤膜的5倍。同时，该膜具备耐化学性，pH适用范围广。

3 Kirigami处理下纤维素纳米纤维薄膜在智能对流散热装置中的应用

随着散热装置开发力度的不断加大，各种散热装置的适用范围越来越广，对散热装置的要求也越来越高。智能对流散热装置作为一种高效能的散热装置，主要由散热元件构成，散热元件内部由散热板和多个铜管构成[3]。本研究借助Kirigami技术，结合了切割和折叠两种过程，对纤维素纳米纤维薄膜进行拉伸，将纤维素纳米纤维薄膜加工成高密度片材，形成“如纸一般”的复合材料，具体应用流程如图2所示。该复合材料具有较高的导热性、导电性和卓越的机械性能。当纤维素纳米纤维质量分数增加到30%时，该复合材料的储能模量和拉伸强度分别增加了50%和40%，复合材料的热稳定性和在潮湿环境下的机械强度都得到了显著的提升。将Kirigami处理后的纤维素纳米纤维薄膜附着在散热板表层，可大幅增强散热板的散热功能和导电功能，提升散热板散热的稳定性。在此基础上，利用真空过滤自组装技术对纤维素纳米纤维薄膜进行进一步加工，可有效提升散热元件的抗菌性，使智能对流散热装置表面不易滋生细菌，延长智能对流散热装置的使用寿命。利用Kirigami处理后的纤维素纳米纤维薄膜，可有效解决智能对流散热装置能耗大、散热不稳定的问题，具有以下创新点：一是制备了低成本、高强度的纤维素纳米纤维薄膜复合材料；二是将Kirigami应用于纤维素纳米纤维薄膜，提升了纤维素纳米纤维薄膜的可拉伸性；三是将Kirigami处理后的纤维素纳米纤维薄膜应用于智能对流散热装置，使智能对流散热装置的散热性能、热稳定性得到提升；四是借助真空过滤自组装技术对纤维素纳米纤维薄膜进行进一步加工，有效提升散热元件的抗菌性，延长智能对流散热装置的使用寿命。

图2 纤维素纳米纤维薄膜在智能对流散热装置中的应用流程

4 结语

经过Kirigami处理后，纤维素纳米纤维薄膜的导热性、导电性得到提升，将其应用于智能对流散热装置，使散热装置得到了新的突破和质的飞跃，降低了智能对流散热装置的成本，提高了智能对流散热装置的性能，满足了人们对散热装置的要求。