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华南理工大学何明辉课题组JMCA:基于聚合低共熔溶剂的高强度透明导电弹性体
2021-03-15  来源:高分子科技

  导电弹性体(Conductive elastomers, CEs)广泛应用于传感器、柔性电极、可穿戴设备等各种柔性可拉伸电子器件,推动人类社会的智能化发展。但由于弹性聚合物通常是由线性高分子链交联形成的三维网络结构,力学强度高的材料往往伸长率较低,故难以兼顾力学强度和拉伸性能。此外,大多数CEs存在不透明、无法本征导电或制备复杂等问题,限制了CEs的实际应用。


  为解决上述问题,华南理工大学何明辉副研究员在前期开发的可聚合低共熔溶剂(polymerizable deep eutectic solvent, PDES)透明导电材料的基础上(J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 8475; Chem. Commun., 2018, 54, 2304; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 14313; Chem. Commun., 2020, 56, 2771; Chem. Mater., 2020, 32, 874; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 5056.),设计了高氢键结合强度的PDES单体,氢键受体为四甲基氯化铵,氢键供体为丙烯酸,高氢键密度的植酸为氢键交联剂,氢键缔合后形成四甲基氯化铵-丙烯酸-植酸型PDES单体;通过快速高效的原位光聚合,制作具有高机械强度(31.21MPa)和优良拉伸性能(3645%)的导电弹性体(如图1)。该弹性体还表现出优异的透明度(>94%,图2)、良好的电导率(0.007-0.04 S/m)和快速的自愈合能力(0.26秒电学修复效率达99%)。


图1. 高机械强度透明导电弹性体的设计理念。


图2. 高机械强度透明导电弹性体的光学性能和力学性能。


  如图3(a-c)所示,制得的弹性体具有优异的机械性能。其中,不含植酸的CE的抗拉强度高达82 MPa,断裂伸长率仅为22%;当植酸用量调至15 wt.%时,应力为4.39MPa,应变高达6100%。植酸用量升为10 wt.%时,拉伸应力为31 MPa,应变高达3645%,有效平衡了拉伸应力和应变之间的矛盾。如图3(d-e)所示,研究人员还使用密度泛函理论(Density functional theory, DFT)研究了各组分的结合能。计算结果表明,在加入植酸后,四甲基氯化铵-丙烯酸-植酸PDES具有较低的结合能,结合强度更高。经过文献对比(图3(f-g)),植酸的用量为10 wt.%时的弹性体,具有超高的韧性(615 MJ*m?3)。


图3. 高机械强度透明导电弹性体的力学性能。


  如图4所示,弹性体还具有良好的电学自修复性能,切断后仅需0.26 s即可恢复到初始电阻的99%(图4(a-c))。如图4(d)所示,室温修复24 h后裂缝逐渐消失,修复前后的弯手指电学信号响应几乎没有差别(图4(e-g))。


图4. 高机械强度透明导电弹性体的自修复性能。


  为了进一步验证导电弹性体在柔性电子中应用的可行性,研究人员将其组装为检测人体运动的传感器件(图5(a))。如图5(b-g)所示,弹性体既可监测人体较大幅度的运动(如站立、行走和跑跳等),也可以监测人体关节处的细小弯曲(手指关节和肘部关机等),并具有十分灵敏的响应速度(图5(f))和优异的耐久性(图5(g))。


图5. 高机械强度透明导电弹性体的应用。


  以上相关成果以“ Polymerizable deep eutectic solvent-based mechanically strong and ultra-stretchable conductive elastomers for detecting human motions”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。论文的第一作者为华南理工大学博士生张凯丽,通讯作者为华南理工大学何明辉副研究员


  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/ta/d0ta11508h

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