纳米纸可以说是万千纳米材料中的新宠，由生物质基的纳米级纤维组成，绿色环保是其最耀眼的特质。早在上个世纪的50年代，研究人员就发现，利用物理或化学的方法可以从植物中分离出纳米纤维，直到1998年，才首次将纳米纤维制备成纳米纸。2009年，日本的Nogi教授在《先进材料》期刊报道的高透明纳米纸指明了纳米纸应用于电子器件的巨大潜力，开辟了纳米纸研究的新纪元。这种纳米纸具有天然可降解、优异的柔韧性、纳米级的表面粗糙度、极高的透明度、超高的抗拉强度、良好的热稳定性和阻隔性等优点，掀起了全世界科学界的研究热潮。

 

图片来源：Shaohui Li, Pooi See Lee. Development and applications of transparent conductive nanocellulose paper[J]. Science and Technology of Advanced Materials, 2017,18(1):620-633.

目前，涉及纳米纸研究的国外课题组有美国马里兰大学的胡良兵教授团队，他们进军纳米纤维领域的时间不长，但是进展迅猛，在纳米纤维及纳米纸领域已经发表了多篇重磅级的研究论文，并致力于推动纳米纸应用的商业化，俨然成为该领域的风向标。日本京都大学的Nogi教授团队和东京大学的Isogai教授团队也做了大量的研究工作，相关成果发表在《Advanced Materials》等顶尖杂志。芬兰阿尔托大学、瑞典皇家理工学院和日本、韩国的一些机构和企业已经实现了纳米纸中试规模的生产。在国内，华南理工大学、上海大学、南京林业大学等院校也在进行有关纳米纤维及纳米纸的研究。具体信息如下表：

 

序号	单位	国家	研究方向
1	马里兰大学	美国	纳米纤维、纳米纸基电子器件
2	斯坦福大学	美国	纳米纸基电子器件
3	阿尔托大学	芬兰	纳米纸制备方法及性能研究
4	芬兰VTT技术研究中心	芬兰	纳米纸制备方法
5	瑞典皇家理工学院	瑞典	纳米纸制备方法及性能研究
6	京都大学	日本	纳米纸制备方法，纳米纸基电子器件
7	大阪大学	日本	纳米纤维、纳米纸制备方法及性能研究
8	东京大学	日本	纳米纤维、纳米纸制备方法及性能研究
9	华南理工大学	中国	纳米纤维，纳米纸制备方法及性能研究
10	南京林业大学	中国	纳米纤维、纳米纸制备方法及性能研究
11	上海大学	中国	纳米纸制备
12	南洋理工大学	新加坡	透明导电纳米纸
13	埃博学术大学	芬兰	纳米纸制备方法
14	路易斯安那州立大学	美国	纳米纸制备方法
15	韩国林业研究院	韩国	纳米纸制备方法
16	莫纳什大学	澳大利亚	纳米纸快速制备
17	中南林业科技大学	中国	纳米纸制备及性能研究
……

 

除了绿色环保，纳米纸的性能优势主要体现在以下几个方面：

（1）可调的透光率和雾度。纳米纸的透光率既可以与塑料薄膜相媲美，又能根据不同的需要而调节它的透光率和雾度的高低，以实现电子器件性能的最优化。

图片来源：Hongli Zhu, Zhiqiang Fang, Zhu Wang, et al. Extreme Light Management in Mesoporous Wood Cellulose Paper for Optoelectronics[J]. ACS Nano 2016, 10, 1369?1377.

（2）可弯曲，可折叠。纳米纸继承了普通纸张可弯曲可折叠的特性，这使得其在OLED柔性屏和可穿戴电子器件领域能够大展身手。

图片来源: NOGI M, KARAKAWA M, KOMODA N, et al. Transparent conductive nanofiber paper for foldable solar cells[J]. Scientific Reports, 2015, 5:17254.

（3）表面光滑。作为电子器件的衬底材料，粗糙的表面可以说是致命的缺点，这可能会引起器件各功能层间的短路，甚至引起火灾。纳米纸的表面非常平滑，可以说毫不逊色于塑料薄膜和钢化玻璃，完全满足构建电子器件的要求。

（4）强度高。2008 年6 月，瑞士科学家宣布成功研制出了一种高强度的纳米纸。该纸的发明人伯格伦德博士表示，这种纳米纸韧性极佳，且硬度很高。机械测试显示，该纸的强度比普通纸整整高出200 倍，达到了目前建筑用钢的水平。

（5）热稳定性好。植物纤维的特殊结构赋予了纳米纸优异的热稳定性，这克服了高分子材料遇热容易变形的缺点，在电子器件的构建和使用过程中能保持较好的形状稳定性。

（6）阻燃效果佳。研究发现，将纳米纤维与纳米瓷土混合后制备出的纳米纸具有很好的阻燃效果，这大大降低了电子器件着火的风险。

透明柔性纳米纸

 阻燃纳米纸

图片来源：MING S Y, CHEN G, HE J H. et al. Highly transparent and self-extinguishing nanofibrillated cellulose-monolayer clay nanoplatelet hybrid films[J]. Langmuir. 2017, 33(34):8455-8462.

 

纳米纸应用领域的延伸：

（1）电子器件领域。印刷电子学是一个非常重要且前景广阔的研究领域，它的一个重大突破是柔性设备的设计。透明的柔性衬底（如透明纸基材料和聚合物薄膜）构成了未来柔性电子设备(如太阳能电池、显示器、传感器和触摸屏)发展的关键材料。纳米纸恰好符合透明柔性这个概念，同时也具有很好的可印刷、可书写性。

 

图片来源：

1. HSIEH M C, KIM C, NOGI M, etc. Electrically conductive lines on cellulose nanopaper for flexible electrical devices[J]. Nanoscale, 2013, 5(19): 9289-9295.

2. FANG Z Q, ZHU H L, PRESTON C, etc. Highly transparent and writable wood all-cellulose hybrid nanostructured paper[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2013,1(39):6191-6197.

 

（2）包装领域。纳米纸具有紧度高、透气度低、表面平整、较好印刷性能和后加工性能，可作为食品、药品、香烟、化妆品、仪表和精密仪器等的衬纸。

（3）离型产品及标签领域。尤其是物流标签中的射频识别技术的发展，有可能让纳米纸有巨大的用武之地。

（4）过滤和检测材料。纳米纸由无数的纳米纤维通过无序或有序的排列方式组成，自然形成的纳米级孔隙结构非人力所及。根据不同的制备方法，它的孔隙大小和孔隙率可控调节，可以实现各种尺度的过滤要求。另外，纳米纸也可用作检测试纸。研究发现，在纳米纸纤维上“铺”一层名为“萘胺”的染料，可以让纳米纸摇身一变为一遇亚硝酸盐就变色的检测试纸。这种纳米纸轻薄灵敏，色彩的浓淡则表明了亚硝酸盐浓度的高低，对于检测食品中的亚硝酸盐浓度非常有效。此外，纳米纸还可用于检测水体中汞离子、氟离子的含量，甚至用于检测DNA的特定序列段。

（5）新型建材领域。现代建筑材料正在向轻质高强、绿色可持续方向发展。随着造纸技术的发展和新材料的应用，通过改进纳米纸基材料的成型技术，解决纤维定向排列和纸基结构可控关键技术，获得高强、透明、定量和厚度可控、可用于建材领域的纳米纸基材料已经成为热点。瑞典和日本的研究人员宣称他们研制出一种超强纳米纸，这种纸几乎可以有像铸铁那样的抗张强度，他们认为可能打开一种扩大纸张在建筑材料领域和其他方面应用的途径。纳米纸用作建筑材料的另一个优点是由于它的分子的大小恰好可以阻挡水分子，又能让空气分子通过，即防潮，又通风。

 

真空过滤法制备纳米纸

溶液浇铸法制备纳米纸

纳米纸中试生产

 

图片来源：

1. Sehaqui H, Liu A, Zhou Q, et al. Fast preparation procedure for large, flat cellulose and cellulose/inorganic nanopaper structures[J]. Biomacromolecules, 2010, 11(9): 2195-2198.

2. Qiyang Wang, Jie Cai, Lina Zhang. et al. A bioplastic with high strength constructed from a cellulose hydrogel by changing the aggregated structure[J]. Mater Chem A, 2013, 1:6678-6686

3. Tammelin T, Hippi U, Salminen A.  Method for the preparation of NFC films on supports. [P] WO: 2013060934A2 5/2/2013.

原文出处：

纳米纸衬底的制备、性能及其在柔性电子器件中的应用

《材料工程》2018，46（6）：1-10