在熔盐电沉积后恢复CuCrZr合金机械性能的方法与机制——用于聚变反应堆应用 董晓旭， 李玉莎， 刘文琪， 高峰， 张迎春

《Coatings》：Methods and Mechanisms for Restoring the Mechanical Properties of CuCrZr Alloy After Molten Salt Electrodeposition for Fusion Reactor Applications Xiaoxu Dong, Yusha Li, Wenqi Liu, Zeyu Gao and Yingchun Zhang

　　摘要 经济增长和现代技术不断扩大的需求传统上依赖于对环境有害的生产过程和材料。因此，可再生生物聚合物（如纤维素及其衍生物）以及基于碳的导电填料（如碳纳米管、石墨、石墨烯和炭黑）正处于从有毒材料向可持续替代品转变的最前线。在之前使用羧甲基纤维素（CMC）作为无毒粘合剂和分散剂开发出全水基炭黑导电基底的工作基础上，本研究探讨了造纸变量（如纤维精炼程度和纤维类型）如何影响导电纤维素纸的电性能。研究使用了100%硬木（HW）、100%软木（SW）以及硬木-软木混合物在不同精炼程度下制备的试样。首先对这些试样的表面粗糙度和其他物理性质进行了表征，然后在粗糙面和光滑面涂覆了炭黑/CMC混合物。涂层后，评估了涂层重量和纸张电阻。结果表明，纤维类型、精炼程度和混合物比例显著影响了涂层的附着性和导电性。未经精炼的100%硬木基底表现出最佳且最可预测的性能：单层涂层在粗糙面上的电阻为4.55 kΩ/sq，而多层涂层将电阻降至0.009 kΩ/sq，同时保持了材料的柔韧性和机械完整性。这些结果似乎与观察到的涂层重量变化密切相关。某些混合物具有可比性，例如含有65%硬木（35%软木）的未精炼试样的粗糙面，在单层涂层下电阻为4.77 kΩ/sq，与相同条件下的100%硬木试样相当。

1. 引言 对可持续和环保材料需求的增加推动了纤维素基功能性复合材料的发展。其中，导电纤维素纸因其生物降解性和可再生性而成为柔性电子[1]、传感器[2]和储能设备[3,4]应用中的有前景的候选材料[5,6,7]。虽然纤维素纤维本身具有绝缘性，但它们与多种导电填料的兼容性使得制造出具有电功能的纸材料成为可能。导电纸通常是通过将导电成分直接加入纸浆中[8,9]或在纸面上施加导电涂层来生产的[5,10,11,12,13]。Hu等人[3]使用含有十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂的水基碳纳米管（CNT）墨水进行制备。该墨水通过将激光生长的CNTs和SDBS分散在去离子水中制成，CNT浓度为10 mg/mL，SDBS浓度在1至5 mg/mL之间。利用Meyer棒涂层法将墨水施加到纸上，实现了10 Ω/sq的纸张电阻。其他研究则聚焦于基于石墨的系统及表面活性剂的优化。Tang等人[12]为回收纤维纸开发了基于石墨的涂层，并证明添加十二烷基硫酸钠（SDS）可显著提高石墨的分散性，随着SDS用量的增加（从0.5 pph增加到2.0 pph），涂层纸的导电性从67 S·m?1提升到247 S·m?1。最近的进展强调采用环保方法，用可生物降解的替代品（包括羧甲基纤维素（CMC）和水基分散体[5]替换有毒的粘合剂（如丙烯酸树脂[14]和溶剂[15]）。Kumar等人[10]使用纳米纤维素作为粘合剂（总碳含量的10%）制备了纳米石墨/石墨烯涂层，并将其应用于回收瓦楞纸板，通过增加涂层重量和压光负荷将电阻降低到1–2 Ω/sq。Martin等人[13]在纤维素基底上制备了含有木质素磺酸钠（SLS）和多壁碳纳米管（MWCNTs）的复合涂层，含有77 wt% SLS和23 wt% MWCNT的涂层实现了113 Ω/sq的电阻值。同样，Poulin等人[16]开发了一种无金属、可生物降解的碳-shellac导电墨水，其中含有石墨片和炭黑，并通过模板印刷到复印纸上形成电容 proximity 传感器的电极。Wang等人[17]使用碳纳米粒子墨水和CNT/金属氧化物复合材料在低成本基底（包括纸张）上制备了完全丝网印刷的柔性高导电电极和不对称超级电容器；基于纸张的电极在弯曲状态下仍能保持导电性，电阻变化不超过4.5%。表1总结了以往研究的关键特征以及本研究的要点。

尽管在导电配方和涂层设计方面取得了进展，但这些研究的一个共同局限性是基底被视为固定参数——没有系统地改变纤维形态或精炼条件来研究造纸变量如何影响涂层行为和电性能。虽然精炼对传统纸质特性的影响已有充分记录[18]，但很少有研究探讨纸张结构和表面性质如何影响涂层的分布、渗透和与导电颗粒的界面接触[19,20,21]。实际上，精炼改变了可访问表面积、内部孔隙体积和纤维塌陷之间的平衡[18]，这反过来又可能影响涂层的渗透性、涂层重量以及导电颗粒与纤维素网络的界面接触。先前的研究表明，较粗糙的表面和较大的涂层重量通常能通过增强颗粒连通性来提高导电性[11,22]。然而，这些经验相关性并未解释当涂层未形成连续的表面膜而是部分渗透纤维网络时的机制。在这种系统中，电响应取决于靠近纸表面的导电层，其三维结构和迂曲性受造纸条件控制。本研究通过探讨精炼强度和纤维类型如何影响纤维素基导电纸的物理和电性能来填补这一空白。通过系统地改变精炼条件，并结合粗糙度、透气性、涂层重量和纸张电阻的宏观测量以及横截面SEM成像，我们旨在阐明纤维形态和网络结构如何调节炭黑（CB）/CMC涂层的分布，进而影响纸张电阻。这些发现建立在之前关于导电配方开发的研究[5]基础上，提供了更全面的理解，揭示了造纸变量如何影响可持续导电材料的性能。

2. 材料与方法 2.1. 试样制备过程及性质分析 试样的制备分为两个阶段。首先，将漂白的南方松软木浆和未指定种类的漂白硬木市场浆分别在水中浸泡约12小时。浸泡后，将浆料撕切成小块并使用Valley Beater（序列号109-F-1556 M916794，容量23 L，VOITH，德国海登海姆）进行精炼。硬木浆的精炼时间分别为0、2、5、10和15分钟，软木浆的精炼时间分别为5、10、15和33分钟，从而为每种纤维类型获得了五种不同的精炼程度。根据TAPPI T 205方法，使用英国纸张模具将每种浆料制成目标基重为100 g/m2的试样。然后按照TAPPI T 402的规定，在23°C和50%相对湿度的控制条件下使用干燥环对试样进行限制干燥。在第二阶段，准备了未精炼的桉木和软木浆混合物，其中硬木纤维的比例分别为85%、65%、50%和35%，其余为软木纤维。这两种浆料均为实验室原有库存捐赠样品，原始商业供应商信息未知。使用纤维质量分析仪（FQA，OpTest Equipment Inc., 加利福尼亚州安大略省）测量了浆料的纤维长度和宽度，并在表2中进行了总结。表2列出了用于制备试样的浆料的FQA结果。每组浆料的游离度根据TAPPI T 227进行测量。基重（克/平方米）根据TAPPI T 410使用Mettler Toledo（俄亥俄州哥伦布市）分析天平（PB303-S，最大精度310克，最小精度0.02克，分辨率1毫克）确定。厚度（卡帕值）根据TAPPI T411使用微米尺（L&W 051，ABB，瑞士苏黎世）测量。透气性根据TAPPI T460 Gurley方法使用TMI Densometer（新卡斯尔，德克萨斯州）测量，记录100毫升空气通过纸张所需的时间（秒）。10分钟后的毛细上升高度根据ISO 8787（Klemm方法）标准测定。拉伸强度根据TAPPI T494使用TMI 84-56拉伸试验机（新卡斯尔，德克萨斯州）测量，夹具间距为100毫米，拉伸速率为25毫米/秒。最后，根据TAPPI T 555（Parker Print Surf方法）使用L&W PPS试验机（ABB，瑞士苏黎世）评估了试样两面的粗糙度，该测量是侧向依赖的。 2.2. 试样涂层 本节使用的涂层配方的详细描述见之前的文献[5]（表3）。简而言之，将粒径中等的未造粒炭黑（SR511；碘吸附量为44克碘/千克炭黑；二丁基邻苯二甲酸酯（DBP）吸附量为127.6立方米/100千克炭黑，来自Tokai Carbons，德克萨斯州沃思堡）加入1%质量的CMC溶液中（Sigma Aldrich，密苏里州圣路易斯）。所得混合物使用Branson Digital sonifier 450（Emerson Electric Co., 密苏里州圣路易斯）在70%振幅下超声处理3分钟，以获得均匀的配方。炭黑涂层使用图1所示的棒涂层技术施加到试样上。试样放置在平坦且平整的表面上，并用夹具固定以防止处理过程中的移动。在夹具附近过量施加涂层，然后用Mayer棒将其均匀分布在纸张表面。涂层后，在室温下干燥试样，并固定其四个角以防止因吸湿和纤维膨胀导致的卷曲。干燥时间取决于涂层层数：单层涂层干燥约1小时，多层涂层在每次应用之间干燥1–2小时，确保前一层完全干燥后再进行下一层涂覆。 2.3. 涂层表征 干涂层重量（克/平方米）通过计算涂层前后重量差来确定，使用与测量试样性质相同的天平进行。使用JCM-6000PLUS-Jeol扫描电子显微镜（Peabody, MA, 美国）检查样品的横截面。电极的纸张电阻使用Ossila T2001A3四点探针（Ossila Ltd., 英国谢菲尔德）进行测量。在测量前，将涂层纸切成宽3厘米、长6.2厘米的样品。在测量纸张电阻之前，将涂层纸在23°C和50%相对湿度下放置24小时进行调节。数据以平均值±标准差表示；仅对涂层重量和纸张电阻之间的相关性进行了统计分析。

3. 结果与讨论 3.1. 浆料精炼对试样性质的影响 图2显示了精炼对硬木和软木浆游离度的影响。在精炼过程中，纤维会发生不同的物理变化，影响其结构完整性。主要的变化包括细小颗粒的形成、纤维缩短以及内部和外部纤维化[18,24]。这些形态和结构上的改变在软木纤维和硬木纤维中都表现出类似的效果，增加了排水阻力，这反映在较低的CSF毫升值上（见图2）。在精炼过程中形成的细小颗粒和纤维化减缓了水的排水速度[18,24]，这解释了图2中观察到的趋势。还观察到，软木纤维需要更长的精炼时间才能达到与硬木样本相当的自由度值。这种行为与多篇比较精炼对两种类型纤维影响的出版物一致[25,26]。软木纤维通常具有更长的尺寸[27]，这增加了它们对机械改性的抵抗力。图2显示了软木和硬木浆纤维的自由度。该图改编自Millan 2022 [23]，并得到了原作者的许可。就机械性能而言，图3d的结果表明，软木样本的拉伸指数值高于硬木片。这种提高的机械性能可以归因于软木纤维的基本形态特性以及机械加工引起的变化。软木纤维以其较大的长度和宽度尺寸为特征，这使它们比较短的硬木纤维具有更好的结合潜力[28]。图3显示了100%软木和100%硬木纸的特性：(a)透气性（Gurley方法），(b)毛细上升高度，(c)纸张密度，以及(d)拉伸指数。每个参数进行了五次测量。该图改编自Millan 2022 [23]，并得到了原作者的许可。机械精炼引起的结构变化也与毛细上升高度的降低直接相关，如图3b所示。这种行为是由于纤维网络内的空隙减少，从而限制了纸张通过毛细作用输送液体的能力。此外，还观察到透气性值与拉伸和密度结果密切相关，随着精炼时间的增加和纸张孔隙率的降低而增加（见图3）。精炼增加了100毫升空气通过纸张所需的时间。我们还观察到，一般来说，硬木纸片比软木纸片更具透气性，这可能是因为硬木纤维较短（1.7毫米对比2.8毫米，见表2），因此形成了一个更开放的网络，纤维间的空隙较大。关于表面特性，发现精炼降低了硬木纸片光滑面的粗糙度（见图4）。对于软木纸片的光滑面也观察到了相同的趋势，但仅从未精炼状态到“中等”精炼状态（约500毫升）。这种行为可能主要是由于纤维柔韧性的增加、纤维缩短、细小颗粒的形成以及纤维结合的增强，所有这些都有助于形成更加均匀和紧密的纸张结构[29]。从中等精炼程度到高精炼程度，软木样本的粗糙度趋势发生变化并增加，超过了未精炼时的粗糙度。有趣的是，这种出乎意料的粗糙度变化与毛细上升高度和密度的变化一致，在该精炼范围内也表现出类似的趋势（见图3）。这种现象可能是由于压缩阶段水分去除减少所致，这是由于在高精炼程度下纸张的脱水受限。因此，这些纸张不能像低精炼程度下生产的纸张那样被压缩到相同的程度。结果，纸张的厚度（卡帕值）增加，导致纸张的密度降低[30]。对于硬木纸片的光滑面，精炼程度对其表面粗糙度的影响似乎很小；实际上，如图4所示，只有在高精炼程度下，表面粗糙度才略有增加。相比之下，精炼显著增加了软木纸片粗糙面的粗糙度。这种现象可能是由于精炼使纤维更具柔韧性，使它们更容易在压榨过程中适应吸水纸的纹理。此外，压榨后移除吸水纸的行为可能会通过将纤维从纸张中拉起而增加表面粗糙度。这种效果，加上表面纤维的抬起，可能共同导致了软木纸片粗糙度的变化。

3.2. 纤维组成对纸页性能的影响
如预期，随着软木含量的增加，拉伸指数也随之增加（见图5d），这是因为软木纤维的形态特性——与硬木纤维相比——更长（2.9毫米对比0.9毫米，见表2）且更厚（30微米对比17.9微米，见表2），从而提供了更好的机械性能。这一趋势与Mansfield等人的研究结果一致[31]，他们表明，当各种软木浆作为纸的增强材料时，显著提高了机械性能，如拉伸指数。在不同组成中，透气性和密度几乎保持不变，表明在这些条件下用硬木替代软木对纸张的空气流动和孔结构 only 有很小的影响。图5b显示，随着硬木含量的增加，毛细上升高度也增加，表明更高的硬木替代比例使得纸张能够更快、更高地输送液体。在低硬木含量（约30%）时，毛细上升高度最低；随着硬木含量增加到100%，毛细上升高度增加，表明孔网络更加开放或连通性更好，有利于液体渗透。这些结果与之前比较软木纤维和硬木纤维的实验结果一致，其中硬木纤维在相同的精炼程度下表现出更高的毛细上升高度。此外，结果表明，这种纤维配比形成的结构有利于液体运输。根据Lucas–Washburn [32]的毛细渗透模型，较小的孔径会导致更大的毛细上升高度，因为横截面积内的液体较少，而沿孔壁的表面张力几乎不变。因此，相同的毛细驱动力作用于较轻的液体柱上，使液体能够在硬木纤维网络中上升到更高的位置。

3.3. 精炼和纤维类型对涂层性能和电性能的影响
涂层纸样品的电性能通过测量纸张电阻来评估。尽管采用了统一的涂层技术和棒数，但纸张基材保留的涂层量因精炼程度和纤维类型而异。如图6所示，精炼程度的提高降低了两种纤维类型的涂层重量。这种现象可以归因于精炼使纤维网络变得更加紧密，减少了纸张内的空隙，限制了涂层材料的渗透[18]。此外，在高精炼程度下，软木纤维的涂层重量略有增加，这与表面粗糙度的变化相关。粗糙度的增加可能为涂层提供了更多的锚定点[33]，从而影响了沉积在表面的总涂层量。图6显示了不同精炼程度下纸张两面涂层重量与精炼程度的关系。图中的数值代表三个独立样本的平均值。该图改编自Millan 2022 [23]，并得到了原作者的许可。图7显示了不同精炼程度下每种纤维类型的纸张电阻数据。对于硬木样本，纸张电阻值随精炼程度的增加而增加。此外，使用JMP软件（版本16）进行的多变量分析显示，纸张两面电阻与涂层重量之间存在强烈的负相关性（r = ?0.95, p = 0.013–0.014, n = 5）（见图S1）。这些结果表明涂层重量与纸张电阻之间存在很强的关联。这种行为可以用渗透理论来解释[34]：随着涂层重量的增加，炭黑颗粒的表面密度增加，减少了颗粒间的距离，直到形成连续的导电路径。在渗透阈值以下，电子必须穿过孤立导电簇之间的间隙，导致高电阻。随着涂层重量的增加和炭黑网络的更加互联，隧穿距离减少，电阻降低。图7显示了不同精炼程度下涂层纸的纸张电阻。该图改编自Millan 2022 [23]，并得到了原作者的许可。对于软木样本，也观察到纸张电阻与涂层重量之间有类似强的负相关性，r = ?0.97, p = 0.0056（n = 5）（见图S1）。这种关系在两种纤维类型中都成立，表明涂层重量是电性能的一个决定因素。然而，这种关系可能受到多种结构因素的影响，包括纤维形态、表面粗糙度和涂层渗透深度，这些因素本身也受到精炼的影响。因此，涂层重量与纸张电阻之间的相关性可以解释为这些相互关联的结构参数共同作用的结果。此外，这些趋势还表明，低精炼程度的纸张为涂层提供了更大的附着表面面积。这可能解释了通常测量到的硬木样本更高的涂层重量，因为软木纤维更容易塌陷[27]。纤维塌陷的地方可能会在干燥过程中保持未涂层状态，或者可能会在孤立的小腔中困住涂层材料，这两者都可能导致电阻值升高。由于硬木纤维较短且不易塌陷，它们倾向于形成更易于访问的表面，可能使涂层均匀分布并建立更好的颗粒间连接。这一假设需要通过碳黑分布的空间映射来验证，但这超出了本文的范围。在第三级精炼（10分钟）时，两种纸张的最光滑表面表现出相似的粗糙度（见图8）。尽管粗粒度相似，以及透气性和毛细上升高度也相当，但如图8所示，软木的纸张电阻是硬木的1.7倍。此外，数据表明，对于具有相似涂层重量的样本（具体来说是软木的粗糙面和硬木的光滑面），软木的纸张电阻仍然更高，其表面也更粗糙。在比较每种纤维类型的两个面时，粗糙面始终表现出较低的纸张电阻和较高的涂层重量。虽然软木样本的表面比硬木样本更粗糙，但硬木样本表现出稍高的涂层重量和较低的纸张电阻。这些发现突显了结构和材料参数之间的复杂相互作用，这些因素共同影响了涂层纸的电性能，表明仅表面粗糙度或涂层重量本身无法解释观察到的差异。图8显示了10分钟精炼后100%软木和100%硬木纸片的结果比较。图6和图7中的观察结果表明，纸张电阻似乎取决于涂层重量。这一观察结果与之前的研究结果一致[3,35]，这些研究表明增加涂层重量可以增强导电颗粒之间的接触，从而改善电性能。总体而言，所呈现的结果表明，炭黑涂层纤维素纸的纸张电阻受多种相互作用的结构因素的支配，而不是单一主导变量。在这些因素中，涂层重量对电性能的影响最强且最一致，这从两种纤维类型观察到的高负相关性中可以得到证实（硬木的r = ?0.95，软木的r = ?0.97）。尽管如此，涂层重量并不是一个独立的参数；它本质上是由基材的结构特性决定的——最值得注意的是孔隙率和表面粗糙度——而这些特性又受到纤维类型和精炼强度的影响。在更深的层面上，纤维形态，特别是软木纤维在压榨过程中易于塌陷的特性，可能会引入涂层分布和导电网络形成的额外变异性，这些变异性不能仅通过涂层重量或表面粗糙度测量来完全捕捉到。扫描电子显微镜（SEM）的横截面图像（图9）显示，在任何精炼程度上，涂层材料都不会在纸张表面形成完全连续的层。相反，涂层会渗透到纸张内部的空隙中并附着在纤维表面上。这种渗透深度随着精炼强度的增加而明显减少，表明在高精炼样品中涂层分布更为受限。需要强调的是，涂层配方并没有完全浸渍纸张，因为油墨在施加时就会迅速扩散，从而限制了其渗透深度，主要局限于表面附近区域。图9显示了使用未经精炼和高度精炼的手工纸板的导电纸的SEM横截面图像。黄色部分对应于未涂层的区域。该图来自Millan 2022 [23]，经原作者许可使用。

3.4. 纤维组成对涂层性能和纸张电阻的影响
对于纤维混合物基材，增加软木纤维的比例会提高纸张粗糙面和光滑面的粗糙度，如表4所示。在高软木含量的情况下，涂层重量增加（图10），这与观察到的表面粗糙度上升一致。虽然中等程度的软木替代并没有相对于对照样品（100%硬木）产生更高的涂层重量，但样品的粗糙面仍然表现出比光滑面更高的涂层重量，维持了本研究早期观察到的趋势。表4显示了涂层前纤维混合物的粗糙度。图10显示了不同纤维组成样品的涂层重量变化。图11显示，最低的纸张电阻值对应于100%硬木样品的粗糙面（4.55 kΩ/sq），这与之前的结果一致，即未经精炼的硬木基材在电气性能方面优于软木基材。然而，含有65%软木的基材的粗糙面也表现出较低的纸张电阻（4.77 kΩ/sq）。在中等程度的软木替代下，光滑面的纸张电阻增加了2.37倍，粗糙面增加了2.66倍。所有样品的空气渗透性和密度基本保持不变。高软木含量的低电阻可能的一个解释是，超过某个阈值后，增加的表面粗糙度在增强导电颗粒在表面的机械锚定和互连方面可能起着更重要的作用。图10和表4的结果支持了之前的观察，即涂层重量与涂层纸的电气性能有关。然而，仅靠涂层重量和粗糙度不足以完全解释涂层样品的电气行为，因为纸张电阻受到纸张网络中不同结构因素的综合影响。图11显示了涂层纤维混合物的纸张电阻。图中的数值代表三个样品的平均值。如前所述，纸张基材的SEM图像证实，涂层在施加后会渗透到纸张内部而不仅仅是停留在表面。从图像（参见图12）可以看出，对照样品和含有高比例软木纤维（65% SW）的基材显示出更深入的涂层渗透，这可能通过将更多的导电材料引入纤维网络而有助于降低其纸张电阻。

3.5. 涂层层对纸张电阻的影响
使用未经精炼的手工纸板研究了涂层层数对最终涂层纸电气性能的影响。在这项工作中，层数指的是每次将炭黑涂层施加到每个样品上的次数。如图13所示，增加涂层层数可以降低纸张电阻并增加涂层重量，其中硬木纸板的性能最为理想。这些结果与Kumar等人[10]和Liu等人[36]的研究结果一致，他们的研究表明更高的涂层重量会导致更低的纸张电阻值。图13显示了使用未经精炼的软木和硬木纤维制备的样品的纸张电阻、涂层重量和粗糙度。对于涂层施加量相似的样品，两种纤维类型的纸张电阻都减少了大约五倍。在四次涂层施加后，涂层重量增加了三倍，而软木和硬木基材的纸张电阻分别减少了大约20倍和12倍。当有六层涂层时，使用软木纤维的纸张电阻为0.17 kΩ/sq，比单层涂层低43倍。对于硬木纸板，六层涂层时的电阻低于四点探针的检测限。因此，大约0.09 kΩ/sq的数值是通过将指数衰减趋势线（R2 = 0.9975）应用于1-4层的测量纸张电阻数据并外推到六层得到的。由于这个值是外推的而不是直接测量的，因此应将其视为预期电阻的近似值而非确切值。图13中观察到的趋势的一个解释是，每次涂层处理都会在纸张表面沉积更多的炭黑，这增加了涂层重量并逐渐填充了导电颗粒之间的间隙。因此，形成了更连续的导电网络，为电子传输提供了多条路径，从而降低了测得的纸张电阻。SEM图像（图14）显示，涂层增加了覆盖纤维的层的厚度并填充了孔隙。如前所述，这增加了涂层材料之间的接触面积，从而使电子有更多的传输路径。图14显示了不同涂层层下100%软木和100%硬木纸基材的导电纸横截面图像。该图来自Millan 2022 [23]，经原作者许可使用。

3.6. 概念验证：工作电极路径
通过构建一个简单的电路来评估电导率，如图15所示，该电路包括一个LED灯、一个电源（AA电池）、带有导电胶的铜带和作为电极路径的涂层纸。图15。(a) 电路模型。(b) 使用未经精炼的100%硬木纤维制成的带有六层涂层的电路。(c) 材料的可弯曲性说明。该图改编自Millan 2022 [23]，经原作者许可使用。在测试过程中，涂有超过两层涂层的纸张样品能够足够导电以闭合电路并点亮LED灯。在图15所示的配置中，使用了六层涂层的基材。更多的涂层层数能够产生更强的光。未经精炼的六层涂层的硬木纸在电路中表现出最低的纸张电阻并产生了最高的光强度。无论电路是在较短还是较长的距离闭合（图15中的黄色和绿色标记），导电纸都保持了稳定的性能，并且在触摸或弯曲涂层区域后没有观察到导电性的可见变化。该设置也成功地用较小的纸张片和多达三个LED灯进行了测试，它们继续表现出良好的电气性能。这些初步结果表明，这种材料是低成本、一次性电极的可行候选者，适用于传感或能源应用，尽管系统地评估其在受控条件下的弯曲稳定性和环境耐久性仍然是未来工作的重要方向。

4. 结论
研究发现，造纸变量，特别是纤维类型和精炼强度，在决定炭黑涂层纤维素纸的电气性能方面起着重要作用，主要是通过它们对涂层重量保留的影响。从机制上看，精炼通过促进纤维间的结合、挤压纤维间的空隙和减少纸张孔隙率来逐渐密集纤维网络。这种结构巩固限制了水性涂层的渗透深度和总吸收量，从而减少了表面附近沉积的导电材料量。由于炭黑通过颗粒渗透形成导电网络，较低的涂层重量直接导致网络更稀疏，连续的电子传输路径较少，相应地纸张电阻较高。纤维类型通过纤维塌陷行为和表面可访问性的差异引入了另一个变量：较长的软木纤维更容易塌陷，可能在表面产生不均匀性，破坏导电薄膜；而较短的硬木纤维可能在相同的涂层重量下支持更均匀的涂层分布和更低的电阻。这些发现表明，优化导电纸的电气性能需要涂层配方和基材结构的共同设计，未经精炼的硬木在这种应用中代表了表面积、孔隙率和纤维形态的最佳组合。从实际角度来看，这些结果为可持续导电纸的生产提供了指导。确定未经精炼的100%硬木为最佳基材简化了制造过程，因为消除了能耗高的精炼步骤，这在传统造纸过程中代表了显著的成本和碳足迹。纸张电阻对涂层重量的强烈依赖性表明，通过简单地控制涂层施加次数，可以在几个数量级上调整电阻——从单次涂层处理的大约4.55 kΩ/sq调整到六层时的估计0.009 kΩ/sq——而无需修改配方或基材。

补充材料
以下支持信息可以在https://www.mdpi.com/article/10.3390/coatings16050526/s1下载。图S1：使用JMP多变量分析确定纸张电阻和涂层重量之间相关性（r）的结果。