烟草废弃物合成细菌纤维素及其在柔性导电材料中的应用研究

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细菌纤维素(bacterial cellulose,BC)具有非常优异的抗张强度和三维纳米级多孔网络结构。以BC为基底合成的柔性高导电纳米复合材料具有质轻、高柔韧性、高导电性等优点,在电子器件中具有广阔的应用前景。本研究以烟草废弃物为原料合成BC,经过简单的复合方法制备低成本细菌纤维素基柔性高导电纳米复合材料。通过电化学和结构表征显示,合成的柔性高导电复合材料具有较好的电化学性能和物理性能。本课题研究结果为获得低成本的细菌纤维素基柔性高导电纳米复合材料提供了思路。主要研究内容如下:(1)利用乙酸在不同条件下对烟草废弃物进行浸提,以获得优良的BC合成原料。经全因素法试验,以总糖含量最大化、烟碱糠醛含量最小化为指标分析,得出2%乙酸、120℃、90 min是烟草废弃物浸提水解的最佳条件。同时,浸提液中加入6%活性炭时,烟碱和糠醛浓度达到最低,有利于提高BC产量。利用响应面分析及正交实验对发酵条件进行优化,结果显示:温度32℃、p H 6.0和接种量为3%时BC产量最高(8.35 g/L)。本实验确定了烟草废弃物水解液制备条件,建立了烟草水解液为原料生产BC的方法。(2)利用生物复合方法,在BC生长过程中喷涂Sn O2的方式制备了BC-Sn O2;通过浸渍方式制备了BC-PPy和BC-Sn O2-PPy膜材料。通过FTIR、XRD、TGA和FE-SEM等物理表征方式比较了复合材料的结构,发现BC-Sn O2和BC-Sn O2-PPy膜材料中氧化锡粒子均匀且大量的分布在细菌纤维素的三维网状多孔结构中。BC-PPy和BC-Sn O2-PPy膜材料中聚吡咯(PPy)以珠状形式均匀包裹在BC纤维上。三种复合膜材料的热稳定性都较BC有所提升。利用循环伏安法、交流阻抗测试及四探针测试评价了其电化学性能和导电性,结果显示:纯BC膜材料无导电性能,比容量为7.47 F/g,电阻为692.1Ω;BC-PPy的电导率提高到1.152 S/cm,比容量提高到179.55 F/g,电阻降低到57.9Ω;BC-Sn O2电导率提高到0.077 S/cm,比容量提高到66.02 F/g,电阻降低到273.5Ω;BC-Sn O2-PPy电导率提高到7.246 S/cm,比容量提高到484.21 F/g,电阻降低到40.4Ω。同时,在不同的弯曲变形下,各复合材料的CV曲线形状保持稳定,表明这些纳米复合材料具有优良的柔韧性。上述结果表明,在BC基中加入Sn O2或聚吡咯均可以制成柔性导电材料,其中BC-Sn O2-PPy复合膜材料的电化学性能最好,在柔性电子器件领域呈现出一定的应用前景。(3)为进一步获得优良的柔性导电材料,选择了导电性较好的氧化锡锑(ATO)代替氧化锡制备复合膜材料,合成BC-ATO和BC-ATO-PPy。同样,通过FTIR、XRD、TGA和FE-SEM等物理表征方式确定了各复合材料的成功合成。电化学性能和导电性检测结果显示:与BC和BC-PPy膜材料相比,BC-ATO膜材料电导率提高到10.236 S/cm,比容量提高到563.90 F/g,电阻降低到83.6Ω;BC-ATO-PPy膜材料电导率提高到16.532 S/cm,比容量提高到681.30 F/g,电阻降低到32.4Ω。同时,在不同的弯曲变形下,各复合材料的CV曲线的形状保持稳定,表明这些纳米复合材料具有优良的弹性和可恢复的电导性能。上述结果表明,BC-ATO-PPy膜材料的电导率明显高于BC-Sn O2-PPy膜材料,获得了一种更为优良的柔性导电材料。
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