可水分散电回收纤维素纸：面向多功能表面应用的可降解电子器件

《Sensors and Actuators Reports》：Water-Dispersible, Electrically Recyclable Cellulose Paper for Versatile Surface Applications

本研究针对电子废弃物污染问题，开发了一种基于羧甲基纤维素钠(Na-CMC)和炭黑纳米颗粒(CBNP)的导电纤维素纸(CCP)。该材料具备水分散性、电学可回收性和曲面共形贴附能力，可实现粗糙岩石表面的电容式键盘功能，并通过疏水封装延长水下使用寿命。未封装电极可作为湿度传感器，精准监测呼吸模式与环境湿度变化。这项工作为绿色电子器件提供了低成本、可循环的解决方案，发表于《Sensors and Actuators Reports》。

　　

随着智能手机、智能手表等电子设备的快速迭代，电子废弃物已成为全球增长最快的固体污染源。据统计，2023年全球产生约6200万吨电子垃圾，仅20%得到规范回收。这些含有重金属和持久性有机污染物的废弃物，不仅侵占土地资源，更通过渗滤液污染土壤和地下水。面对这一严峻挑战，"绿色电子"概念应运而生——研发可在使用后自然降解或高效回收的电子器件，从源头上减轻环境负担。

目前，可降解电子器件的研究主要聚焦于两类材料：一类是镁、锌、铁等可溶解金属，另一类是聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乙烯醇(PVA)、蚕丝、纤维素等天然或合成高分子。这些材料已被成功应用于可吸收医用植入物和军事保密设备。然而，现有研究大多关注材料的溶解性，却忽视了电子器件的另一个重要特性——可回收性。事实上，真正的绿色电子不仅应该能"消失"，更应该能"重生"。

另一个技术瓶颈在于器件与不规则表面的适配性。无论是穿戴在人体关节处的健康监测传感器，还是安装在复杂结构上的工业探测器，都需要与基底保持共形接触以确保信号质量。虽然已有研究通过弹性体封装实现了一定程度的贴合，但在岩石、树皮等高度粗糙表面实现稳定接触仍面临挑战。

针对上述问题，韩国电工研究所的Jeong Woo Chae、Wooseok Kim等研究人员开发了一种水分散性电学可回收功能性纸张。这种导电纤维素纸(CCP)以纸浆纤维为骨架，通过羧甲基纤维素钠(Na-CMC)粘结炭黑纳米颗粒(CBNP)形成导电网络。就像普通纸张遇水会变软一样，CCP在喷雾加水后能软化贴附在任何三维表面，干燥后即形成稳固的导电通路。当器件寿命结束时，只需用水溶解即可回收材料，经干燥处理后电学性能可完全恢复。这项创新性工作发表于《Sensors and Actuators Reports》，为可持续电子技术提供了新思路。

研究人员通过四个关键技术构建了这一平台：首先采用溶液浇铸法将水溶性纸与CBNP分散液混合，通过超声处理(750W, 30分钟)实现均匀复合，再在70°C下干燥成膜；其次利用数控切割机(精度1.5mm)进行电极图案化加工；第三通过扫描电子显微镜(JSM-7600F)和能谱分析表征材料微观结构；最后采用商用疏水喷雾(NeverWet)进行封装处理，并通过接触角测量仪(Phoenix 300)评估防水性能。

材料特性与优化

通过调节CBNP含量发现，当填料达到40wt%时电导率出现渗流阈值，最高达118S/m，对应方块电阻85Ω/sq。SEM图像显示CBNP均匀包覆在纤维素纤维表面，EDS图谱证实碳元素分布均匀。材料厚度可通过浇铸量精确控制，每0.3g混合物在直径10cm培养皿中可形成约0.08mm薄膜。

可回收性与机械稳定性

将CCP电极置于聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具中溶解后重新干燥，经历多次循环后电导率变化小于1.2%。折叠测试(200g压力)和弯曲测试(最小曲率半径0.06mm)表明，电阻波动分别低于0.4%和0.11%，证明其具有优异的机械稳定性。这种稳定性源于材料较高的杨氏模量(334.9MPa)和纤维素纤维网络对导电颗粒的锚定作用。

多功能应用演示

作为平行板电容器，CCP电极的电容值与极板距离符合C=ε_rε₀A/d理论公式。将其贴附在门框上可实时监测门状态(开/半开/关)，在岩石表面构建的电容式键盘能通过莫尔斯电码输入文字。未封装电极对湿度变化敏感，在20-90%相对湿度范围内灵敏度达0.62(ΔR/R₀/RH)，可区分慢速口呼吸(25次/分钟)、快速口呼吸(54次/分钟)和鼻呼吸等不同模式。

可控瞬态特性

疏水封装后在水中使用寿命延长60倍，接触角从初始136.34°经150分钟仅降至128.84°。而未封装电极遇水后电阻在0.23分钟内即翻倍，0.4分钟内增长五倍。这种可调控的溶解特性使得CCP既能满足短期应用(如一次性医疗传感器)的需求，也能通过封装实现长期稳定工作。

这项研究成功开发出集可回收性、共形贴附性和多功能传感于一体的纤维素基电子平台。其重要意义在于：首先，通过水触发溶解和干燥再生的简单循环，实现了电子材料的闭环利用，为减少电子垃圾提供了新路径；其次，独特的喷雾贴附技术突破了传统刚性器件在复杂曲面应用的局限，拓展了可穿戴设备的应用场景；最后，通过材料本身的水响应特性实现湿度传感，避免了额外功能层的引入，简化了器件结构。虽然CBNP的生物相容性限制了其在植入式医疗领域的应用，但皮肤接触式设备和环境监测领域具有广阔前景。这项工作标志着绿色电子从"可降解"向"可循环"的重要转变，为可持续发展目标下的电子技术革新提供了重要参考。