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摘 要：目前，许多使用了纤维素纳米纤维（Cellulose Nano Fiber，以下简称为“CNF”）的产品都利用了其拉伸强度和触变性等机械性能，如果能够通过调整其分子尺度结构实现对物理性质的控制，CNF则具有更大的潜力。研究发现，利用流体工艺在分子尺度上对CNF进行定向排列，并用酸将其硬化制成的线材具有高热导率，是纤维素纳米纸等具有高热导率的先进木质生物质5倍躺以上，是纸等传统木质生物质的100倍以上。木质生物质由于其低热导率至今为止一直被用作隔热材料，通过实现比传统木质生物质具有更高热导率的材料（CNF纱线），有望用作要求良好散热性能的高分子材料的替代材料。
关键字：纤维素纳米纤维、高热导率、高分子材料替代、木质生物质材料、CNF物理特性
研究小组发现，通过流体工艺在分子尺度上对由木质生物质获得的生物基纳米材料CNF进行定向排列，并使用酸将其硬化所得到的线材具有高热导率，是纤维素纳米纸等具有高热导率的先进木质生物质5倍以上，是纸等传统木质生物质的100倍以上。
到目前为止，CNF多被用于制成块状CNF材料，大多都是利用其机械性能，例如利用CNF的高拉伸和触变性制造的包装和圆珠笔。另一方面，考虑到CNF本身具有通过调整分子尺度结构控制其物理性质的优势，因此其有可能表现出更多样化和高附加值的物理特性。
研究小组在将CNF水分散体注入流动聚焦通道（图1a）以使CNF高度定向后，通过单独注入通道中的酸将其硬化并风干来制备CNF纱线。此外，使用T型热导率测量方法（图2a）测量了CNF纱线的热导率。结果发现，使用特定酸的纱线的热导率为14.5W/(m·K)。此外，研究小组还阐明了在CNF的取向度达到一定水平的条件下，连接CNF之间的氢键越多，且由残余应力引起的CNF中的结构无序性越低，可以获得越高的热导率。
图1 CNF纱线的制备方法和CNF纱线。
(a) 流动聚焦通道示意图，(b)风干CNF纱线的横截面照片（用扫描电子显微镜拍摄）。
图2 CNF纱线热导率的测量方法和测量结果。
(a)T型热导率测量方法示意图，(b)CNF纱线热导率与纱线直径的关系。
作为防止全球变暖和建设循环型社会基础设施的措施，在通用和先进材料中积累和利用木质生物质的趋势正在加速。其中，备受关注的CNF由于比钢更轻、更坚固，具有优异的耐用性，并且可以通过环保工艺制备，因此作为一种优异的新型生物基纳米材料的潜力得到了人们的广泛认可。此外，为了实现碳中和，人们着眼于CNF的高安全性和生物降解性，作为第一种实现“无塑料”的替代材料，受到越来越多的关注。
一直以来，CNF多被用于制成块状CNF材料，大多利用其机械性能，例如利用其高拉伸强度的包装和纸尿布，以及利用触变性的圆珠笔。另一方面，考虑到CNF具有能够通过调整其分子尺度结构控制物理性质的优势，因此它有可能表现出更多样化的物理特性。因此，近年来，以高附加值为目标的研究正在积极进行，例如将CNF制成气凝胶并用作隔热材料。木质生物质和从中获得的生物基纳米材料的增值不仅有利于解决环境问题，而且对于提升林业经济效益，促进产业振兴都极为重要。
研究小组通过将CNF的水分散液注入流动聚焦通道并将CNF高度定向后，使用单独注入到通道的酸将其硬化来制备CNF纱线。还使用T型热导率测量方法测量了风干CNF纱线的热导率。结果发现，使用特定酸的纱线的热导率为14.5（W/m·K），是纤维素纳米纸和纤维素纳米晶体等具有高热导率的先进木质生物质的5倍以上，是纸张等传统木质生物质的100倍以上。此外，CNF纱线越细，可以获得越高的热导率。
为了阐明这些机理，研究小组采用拉曼光谱和红外光谱对CNF纱线的化学结构、以及纱线内部的取向度、粘合状态、结晶度和残余应力进行了评估。
结果表明，在CNF的取向度达到一定水平的条件下，连接CNF之间的氢键越多，且CNF中由残余应力引起的结构无序性越小时，热导率越高。固体中的热传导是由被称为声子的原子的振动引起的，CNF之间的氢键越多，声子越容易通过CNF之间的界面，CNF内部结构的无序性越小，声子传播越容易，热导率越高。在流动聚焦通道中，酸从CNF纱线表面向内部扩散形成氢键，但由于直径较小的纱线在整个过程中能够形成更均匀的氢键，因此具有更高的热导率。
木质生物质由于其低热导率，至今为止一直被用作隔热材料，而研究小组发现了一种具有比传统木质生物质更高热导率的材料（CNF纱线），未来，有望将CNF纱线用作要求高散热性能的高分子材料的替代材料。
例如，柔性印刷电路板就是一种候选。其用于机器人和智能设备，随着这些产品的普及，其需求也在增加。以往的柔性印刷电路板使用聚酰亚胺等高分子材料，但具有难以回收利用和环境污染大的问题。利用CNF具有的碳中性、高强度和低热膨胀等已知特性，并通过CNF纱线具有的高热导率，开发出一种具有高散热性能的印刷电路板，有望替代对环境影响大的高分子材料，解决环境问题。
此外，在学术上，本研究成果显着提高了木质生物质的热导率并确定了其机理，有望为提高其他生物质材料的热导率提供指导。同时，这个过程还没有得到优化，通过实现目前流体工艺的自动化，以及利用机器学习的材料信息学，对工艺参数进行优化，有望进一步提高性能。
翻译：王宁愿
审校：刘 翔
李 涵
统稿：李淑珊
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