课题背景
随着智能化可穿戴电子设备的爆炸式发展，柔性光电器件成为当前科学研究和产业应用的热点。柔性光电器件具有轻便、柔软、可弯曲等特点，具有较高的灵活性、伸展性和弯曲性。
为了满足柔性光电器件轻薄、透明、柔性和拉伸性好等性质的要求，其常用的基底材料采用基于石油基塑料基底，然而这类材料难以生物降解，废弃后会引发严峻的环境问题。
透明纤维素薄膜材料具有良好的力学性能和优异的光学性能，有望作为一种新型的绿色基底材料应用于光电器件领域（如太阳能电池、有机发光二极管），助力国家碳达峰、碳中和目标的实现。
核心内容
本课题以氢氧化钠-亚硫酸盐-蒽醌-甲醇（ASAM）法制备的高聚合度针叶木浆为原料，通过调控漂白时间和漂白剂用量制得形态相近、聚合度不同的4种木质纤维；随后，通过浸渍法将羧甲基纤维素钠（CMC）与上述纤维抄造的原纸复合，制得高透光率木质纤维/CMC纤维素薄膜（以下简称薄膜），并研究纤维聚合度对薄膜力学性能的影响。结果表明，在不显著改变纤维形态和结晶度的条件下，提高纤维聚合度可以显著提高薄膜的力学性能（抗张强度、韧性、耐折度、撕裂指数、耐破指数），而其光学性能无明显的变化规律，透光率介于87.9%~89.8%，雾度介于53.6%~64.1%。
01 纤维聚合度对薄膜力学性能的影响
图1 纤维聚合度对薄膜力学性能的影响
图1（a）为4种薄膜的应力-应变曲线图。由图1（a）可知，随着纤维聚合度（C1>C2>C3>C4）的下降，薄膜的拉伸强度、伸长率及韧性均降低。当纤维聚合度从1817（C1）降至415（C4），2种薄膜对应的拉伸强度从95.3 MPa降至59.9 MPa，下降了37.1%；韧性由4.14 MJ/m3降至2.22 MJ/m3，下降了46.4%。由此可知，当CMC浸渍量相同时，纤维聚合度对薄膜的拉伸强度和韧性具有显著影响。
纤维聚合度对薄膜耐折度、耐破指数和撕裂指数的影响如图1（b）~图1（d）所示。其中，耐折度是薄膜材料的基本力学性能之一，通常用于表征薄膜抵抗往复折叠的能力。由图1（b）~图1（d）可知，随着纤维聚合度从1817降至415，薄膜的耐折度急剧下降，从1709次降至108次，降幅达94%；耐破指数从6.48 kPa·m2/g降至3.47 kPa·m2/g，降幅达46%；撕裂指数从2.24 mN·m2/g降至1.08 mN·m2/g，降幅达50%。
以上结果表明，纤维聚合度对此类薄膜的力学性能具有显著影响。若采用聚合度较高的微米级纤维原料，可进一步提高木质纤维/CMC纤维素薄膜的力学性能。
02 薄膜的透光率及雾度
图2 薄膜的照片
图2为本课题制备的4种薄膜的照片。由图2可知，本研究制得的薄膜具有优异的透光性能及光散射性能，这是因为，一方面CMC与纤维素的折射率相近，添加CMC减弱了因空气折射率（1.0）与纤维素折射率（约1.5）相差较大而产生的背向散射，因此薄膜具有较高的透光率；另一方面，微米级纤维与分子级纤维素共同存在，致使薄膜中“密度”分布不均匀，使透过的光线传播方向发生改变，即发生正向散射，从而使材料具有较好的雾度。
图3 薄膜的透光率和雾度
4种薄膜在波长为550 nm处的透光率和雾度测定结果如图3所示。由图3（a）可知，薄膜C1、C2、C3、C4的透光率分别为87.9%、88.8%、88.9%、89.8%，均基本接近90%。
综上，高聚合度木质纤维和CMC复合制备的纤维素薄膜具有优异的力学性能和光学性能，将其应用于太阳能电池的光管理层可以提高其光电转化效率。
本研究为构筑高强度、高透光率纤维素薄膜材料提供了新思路。
论文信息
题目：木质纤维聚合度对高透光率纤维素薄膜力学性能的影响
作者：李玉洁 李冠辉 侯高远 胡招湘 张德健 方志强
单位：华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室
引文格式：
李玉洁，李冠辉，侯高远，等.木质纤维聚合度对高透光率纤维素薄膜力学性能的影响[J].中国造纸学报,2023,38(1):1-8.
LI Y J, LI G H, HOU G Y, et al. Influence of Degree of Polymerization of Wood Fiber on Mechanical Properties of Cellulose Films with High Transmittance[J].Transactions of China Pulp and Paper,2023,38(1):1-8.