Science Advances|耐高温天然纤维素支架用于电子产品
原创 材料循环科学 材料循环科学 2024年11月29日 14:35 浙江
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导读：全球电子废物数量持续上升，主要因玻璃、环氧树脂和塑料基材的持续使用，它们成本低、稳定性好、柔韧性强且透明度高。这突显开发类似性能的可生物降解替代品的必要性。最近,德累斯顿工业大学Karl Leo 和Rakesh R. Nair课题组研究表明，叶子衍生的木质纤维素支架可以作为天然的隔离介质，增加生物来源的可降解聚合物的热稳定性。这种加固薄膜，即便基于明胶（Tg 约 60 ℃），也能承受超 200 ℃的工艺。作者展示了用乙基纤维素薄膜制作的可商用再流焊接电路。这些薄膜柔韧性高，透明度超 80%，表面粗糙度低于 5.5 纳米。在上述薄膜上制作的先进 OPDs 和 OECTs 性能与在玻璃上相当。材料成本低且制造工艺简单，二氧化碳排放量仅 1.6 公斤/平方米。因此，此工作为曾被认为不适合制作先进电子器件温度稳定基材的可生物降解聚合物带来新可能。 |
目前全球电子废弃物累积量每年超 5000 万吨，预计未来 20 至 30 年将翻倍。电子元件焊接的基板可能占废弃印刷电路板(PCB)总重量的 20%至 60%。这些基板不可生物降解，是每年大量电子废弃物的重要组成部分。2019 年，全球仅 17.4%的电子废弃物被回收利用，剩余 82.6%(4430 万吨)去向不明。
纤维素与木质素作为陆地植物的结构单元，在自然界中广泛存在，是地球上最常见的生物聚合物。然而，纤维往往由于分子结构的低结晶度/无定形特性容易受到高温的影响而失去稳定性，尽管这种特性赋予了材料的生物降解性，允许微生物酶的容易进入。
因而，为了构建一种低成本且能够生物降解的基板，以契合商业与薄膜电子产品的要求，作者给出了一个全新的环保平台——LS 增强型电子（Leaftronics）（如图 1 所示）。源自叶子的木质素纤维素支架所具有的准分形结构，能够充当一种适用于溶液处理有机材料吸附以及后续凝聚的薄膜形成网格，同时增加其热稳定性。这种溶液处理材料的渗透能够借助简单的浸涂来达成。通过选取一种通用聚合物（例如乙基纤维素EC）并对其加以改进，使之成为一种平均表面粗糙度为 3.7 纳米的半透明、柔韧并且可生物降解的基板，由此量化地证实了 Leaftronics 的有效性。作者在这些基板上呈现了基于微控制器的再流焊接电路、物理气相沉积（PVD）光电子器件以及印刷有机电化学晶体管（OECTs）和 PCB 迹线。
图1 木质纤维素准分形及其涂层
图2 Leaftronic基底性质
图3 可生物降解性能探究
图4 薄膜器件应用
图5 弯曲和温度稳定性测试.
鉴于电子垃圾污染规模持续扩大，研究低碳足迹、可生物降解、热化学稳定性适度、能保持塑料柔韧性和透明度的基材至关重要。此研究开辟新径，证明可生物降解聚合物热稳定性虽低，但用天然衍生准分形能赋予其薄膜热稳定性。以EC为例，所制基材在有机和混合电子应用中有望取代玻璃和塑料薄膜，LS-EC基材机械性能出色，在无机与有机基材间平衡良好，有80-85%的透光率、6纳米以下的表面粗糙度，墨水附着力和柔韧性佳。采用商用再流焊工艺和功能性柔性器件展示了基于微控制器的混合电路，通过堆肥和用温和酸提取展示了基底可降解和回收潜力。