李仁煥

（南寧學(xué)院，廣西 南寧 530299）

散熱裝置作為一種傳導(dǎo)、釋放能量的器械，被廣泛應(yīng)用于計算機、供暖設(shè)施等領(lǐng)域。近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展，人們的生活水平日益提升，對散熱裝置的需求不斷提高。智能對流散熱裝置作為一種新型散熱器械，具有散熱快、安全性高等優(yōu)勢，深受人們喜愛。本研究試圖通過Kirigami處理，將纖維素纖維薄膜應(yīng)用于智能對流散熱裝置，提升該裝置的散熱性能、熱穩(wěn)定性和對流效果。

1 Kirigami處理方法

Kirigami通常運用于可拉伸整合電子元件等方面，在納米石墨烯、納米發(fā)電機以及可拉伸鋰離子電池等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景[1]。此外，Kirigami在剛性材料中具有可折疊性和可拉伸性，能形成類似于肌肉的另外一種仿生形態(tài)。具體而言，Kirigami技術(shù)能改變相關(guān)基材的傾斜角度，形成特定的力學(xué)行為，進(jìn)一步實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)變化。因此，基于Kirigami方法的三維結(jié)構(gòu)，制備集導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和過濾性等特征于一體的膜材料，使其具有多層次結(jié)構(gòu)，以此研究不同尺寸對智能對流散熱裝置的影響。

2 纖維素納米纖維薄膜

2.1 纖維素納米纖維類別

近幾年，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的環(huán)保意識日益增強，對可再生材料的關(guān)注度越來越高。作為地球上最豐富的天然高分子，天然纖維素被視作多種材料的重要選擇。天然纖維素經(jīng)過化學(xué)、物理以及生物處理方法處理后，得到的納米纖維素具有多種獨特的優(yōu)勢和性能，如可降解性、可再生性以及光學(xué)性等[2]，而通過該纖維素還可制成一種高性能復(fù)合材料—纖維素納米纖維薄膜。

纖維素納米纖維包括3類（圖1）：一是利用天然纖維素的酸水解制備的包括無固定形狀區(qū)域和結(jié)晶區(qū)域的纖維素納米晶體或納米晶須，再進(jìn)一步利用酸水解對已提取的纖維素納米晶體的纖維尺寸進(jìn)行納米級降低處理。在此過程中，為防止纖維間出現(xiàn)集聚現(xiàn)象，可利用經(jīng)過冷凍和干燥處理的納米微晶纖維素（CNCs），后續(xù)對其進(jìn)行快速分散處理。二是利用高剪切機械瓦解纖維素纖維，進(jìn)一步添加部分纖維素酶處理并制備微纖化纖維素，如將木質(zhì)纖維素作為原材料，利用高剪切機械制備微纖化纖維素。這種從木質(zhì)中提取的微纖維素主要由多個微纖維聚集體構(gòu)成，具有較高剛度，可作為聚合物納米復(fù)合材料，并在生物合成過程中形成橫向尺寸僅為4 nm的纖維體。另外，用木漿制取的微纖化纖維素是一種具備高機械性能的纖維材料。三是利用TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基）催化氧化天然纖維素纖維，對經(jīng)過氧化的纖維素纖維進(jìn)行機械處理，最終制備出納米纖維素。目前，TEMPO催化氧化結(jié)合均質(zhì)化處理方法成為納米纖維素制備的主要方式，該方法在實施過程中，需針對纖維素纖維進(jìn)行有效氧化預(yù)處理，將纖維素C6位伯醇羥基氧化成羧基，隨后經(jīng)過均質(zhì)化處理制取纖維素納米纖維。

圖1 纖維素納米纖維分類

2.2 纖維素納米纖維薄膜特性

2.2.1 導(dǎo)熱性

纖維素納米纖維薄膜通過加工能形成高密度片材，并擁有較高的導(dǎo)熱性。通過天然貝殼提煉纖維素納米纖維，可制得高密度納米薄膜。分析導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該納米薄膜的導(dǎo)熱性相當(dāng)于普通材基導(dǎo)熱性能的10倍之高。這種良好的導(dǎo)熱性產(chǎn)生的原因在于纖維素分子呈高晶體結(jié)構(gòu)排列。

2.2.2 導(dǎo)電性

作為超級電容器的重要基材，纖維素納米纖維薄膜具有電解質(zhì)吸收性能良好的優(yōu)勢。同時，相較于玻璃、塑料等傳統(tǒng)基材，纖維素納米纖維薄膜并不需要采取任何預(yù)處理措施。在實際研究過程中，將納米片和納米顆粒作為載體，使帶正電荷的納米線在纖維素納米纖維薄膜試紙上沉淀，以此制備出多層薄膜電極。S-PG-8和S-PP-8是兩種具有較強韌性的透明柔性薄膜超級電容器，利用氫碘酸（HI）將該膜轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電膜，可加強纖維素納米纖維薄膜的導(dǎo)電性。

2.2.3 過濾性

近年來，新型超濾膜受到多個領(lǐng)域?qū)W者的青睞。纖維素納米纖維薄膜由多層薄膜組成，充分體現(xiàn)了有效的過濾性能。具體而言，纖維素納米纖維薄膜頂層的阻隔層為TEMPO氧化納米纖維素（TEMPO-Oxidized Cellulose Nanofiber，TOCNs），中間層由靜電紡絲支架組成，支撐基材為PET無紡布，最終組合成一種具有過濾性的纖維素納米纖維復(fù)合膜。該膜平均孔徑大小約為55 nm，過濾性是不含TOCNs阻隔層的普通濾膜的5倍。同時，該膜具備耐化學(xué)性，pH適用范圍廣。

3 Kirigami處理下纖維素納米纖維薄膜在智能對流散熱裝置中的應(yīng)用

隨著散熱裝置開發(fā)力度的不斷加大，各種散熱裝置的適用范圍越來越廣，對散熱裝置的要求也越來越高。智能對流散熱裝置作為一種高效能的散熱裝置，主要由散熱元件構(gòu)成，散熱元件內(nèi)部由散熱板和多個銅管構(gòu)成[3]。本研究借助Kirigami技術(shù)，結(jié)合了切割和折疊兩種過程，對纖維素納米纖維薄膜進(jìn)行拉伸，將纖維素納米纖維薄膜加工成高密度片材，形成 “如紙一般” 的復(fù)合材料，具體應(yīng)用流程如圖2所示。該復(fù)合材料具有較高的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和卓越的機械性能。當(dāng)纖維素納米纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到30%時，該復(fù)合材料的儲能模量和拉伸強度分別增加了50%和40%，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和在潮濕環(huán)境下的機械強度都得到了顯著的提升。將Kirigami處理后的纖維素納米纖維薄膜附著在散熱板表層，可大幅增強散熱板的散熱功能和導(dǎo)電功能，提升散熱板散熱的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，利用真空過濾自組裝技術(shù)對纖維素納米纖維薄膜進(jìn)行進(jìn)一步加工，可有效提升散熱元件的抗菌性，使智能對流散熱裝置表面不易滋生細(xì)菌，延長智能對流散熱裝置的使用壽命。利用Kirigami處理后的纖維素納米纖維薄膜，可有效解決智能對流散熱裝置能耗大、散熱不穩(wěn)定的問題，具有以下創(chuàng)新點：一是制備了低成本、高強度的纖維素納米纖維薄膜復(fù)合材料；二是將Kirigami應(yīng)用于纖維素納米纖維薄膜，提升了纖維素納米纖維薄膜的可拉伸性；三是將Kirigami處理后的纖維素納米纖維薄膜應(yīng)用于智能對流散熱裝置，使智能對流散熱裝置的散熱性能、熱穩(wěn)定性得到提升；四是借助真空過濾自組裝技術(shù)對纖維素納米纖維薄膜進(jìn)行進(jìn)一步加工，有效提升散熱元件的抗菌性，延長智能對流散熱裝置的使用壽命。

圖2 纖維素納米纖維薄膜在智能對流散熱裝置中的應(yīng)用流程

4 結(jié)語

經(jīng)過Kirigami處理后，纖維素納米纖維薄膜的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性得到提升，將其應(yīng)用于智能對流散熱裝置，使散熱裝置得到了新的突破和質(zhì)的飛躍，降低了智能對流散熱裝置的成本，提高了智能對流散熱裝置的性能，滿足了人們對散熱裝置的要求。