华南理工李红强/曾幸荣团队《Macromolecules》：高拉伸/室温自愈合/可重复加工/快速降解的聚亚胺弹性体及其柔性传感器

2023-12-01 来源：高分子科技

柔性传感器因其质量小、检测范围宽、灵敏度高及响应时间短等特点，在电子皮肤、智能机器人和物联网等领域得到了广泛应用。但在使用过程中，柔性传感器容易受到外力破坏而失效，从而大幅缩短其使用寿命。此外，大量柔性传感器在报废或升级换代后通常被直接丢弃或焚烧，会严重危害环境和生态。

华南理工大学李红强/曾幸荣团队在前期的工作中报道了基于自愈合有机硅弹性体的可快速愈合柔性压力传感器（ACS Applied Materials & Interfaces, 2020, 12, 44360-44370；Journal of Colloid and Interface Science, 2020, 570, 1-10；Chemical Engineering Journal, 2022, 430, 133103）、以天然可再生的壳聚糖和马铃薯淀粉为主要原料制备的生物基可降解柔性拉伸传感器（Journal of Colloid and Interface Science, 2022, 626, 554-563）和具有自愈合/可降解性能的环氧弹性体及其柔性拉伸传感器（ACS Applied Materials & Interfaces, 2022, 14, 44878-44889）。

图1 PE0.5-0.2弹性体的合成示意图

近期，该团队提出了一种在室温下通过一锅两步法合成高拉伸、室温自愈合、可重复加工及快速降解的聚亚胺弹性体的新策略（图1）。首先采用聚醚胺（PEA）作为软段，己二胺二酰肼（ADH）作为硬段以及对苯二甲醛（TA）作为扩链剂制备氨基封端的预聚体，其次利用均苯三甲醛（TFB）作为交联剂，合成出一系列聚亚胺弹性体。

图2 切断的PE0.5-0.2弹性体的（a）自愈合过程光学显微镜图像和（b）在室温下愈合6、12和24 h后的应力-应变曲线；（c）PE0.5-0.2弹性体的自愈合机理示意图

由于软硬段结构所导致的相分离结构，所制备的聚亚胺弹性体PE0.5-0.2具有良好的力学性能，拉伸强度和断裂伸长率分别为2.52MPa和1158%。在室温下愈合24 h后，切口几乎完全消失，愈合效率达96.0%（图2a,b）。在愈合过程中，聚亚胺弹性体分子网络在切口界面之间的扩散是其自愈合过程的先决条件。其次，切口表面的动态氢键和动态亚胺键之间的交换反应使得受损的分子网络重新键合成一个完整的网络，完成愈合过程（图2c）。此外，该弹性体还表现出较好的可重复加工性，在三次热压成型后仍能保持原始力学性能的80%以上。

图3 （a）聚亚胺弹性体的降解过程示意图；（b）PE0.5-0.2弹性体在室温下不同浓度的降解液中的重量损失率；（c） PE0.5-0.2弹性体降解不同时间后的FT-IR谱图；（d）PE0.5-0.2弹性体降解不同时间的GPC馏出曲线

图3a展示了PE0.5-0.2弹性体在0.1 mol/L的HCl/DMAc溶液中的降解过程。当弹性体在0.1 mol/L的HCl/DMAc溶液中浸泡120 min后，质量损失率为100%（图3b）。图3c为PE0.5-0.2弹性体降解不同时间后的FT-IR谱图。随着降解时间增加，1642 cm^-1处的亚胺键峰值逐渐减小，同时1697 cm^-1处的醛基峰大大增加，表明亚胺键逐渐水解为醛基和氨基。GPC结果表明，PE0.5-0.2弹性体在降解液中浸泡180 min后，残留物的分子量分布变窄，M_n仅为2260 g/mol（图3d），这与反应物中PEA的M_n一致。

图4 （a）PVP@LM制备过程和（b）柔性可拉伸传感器的制备的示意图

以高导电性、低熔点和无毒性的液态金属（LM）为导电材料，利用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）对其进行包覆并分散后，滴涂到PE0.5-0.2弹性体上制备柔性可拉伸传感器（图4）。所制备的柔性传感器在被完全切断后，可在室温下恢复传感性能。首先，受损的弹性体基材先完成愈合，切口合并。然后，使用PTFE棒在受损区域滚压使导电层相互连接，重新激活导电层的导电性，恢复传感性能（图5a）。将传感器浸入0.1 mol/L HCL/DMAc溶液中评价其降解过程。降解600 min后，弹性体基材完全消失，PVP@LM液滴全部沉积在底部。通过离心操作，可实现LM的收集和再利用（图5b）。

图5 柔性可拉伸传感器（a）自愈合过程示意图和（b）降解过程照片

该工作以“Functional and Environmental Friendly Polyimine Elastomer Based on the Dynamic Covalent Network for a Flexible Strain Sensor”为题发表在期刊Macromolecules上。第一作者为华南理工大学材料科学与工程学院的博士生杨志鹏，通讯作者为李红强教授和曾幸荣教授。该工作受到国家自然科学基金（22278162）和广东省自然科学基金（2023A1515011447）的资助与支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.3c02025

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（责任编辑：xu）

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