“聚合低共熔溶剂”透明导电弹性体及器件

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:einsun222
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随着科技社会的不断发展,柔性电子产品在日常生活中得到了广泛应用。作为柔性电子器件的重要组成部分,柔性导电材料因其独特的机械性能和电学性能而受到科研工作者的广泛关注。然而,现有的柔性导电材料仍然存在一定的问题:无机/金属/高分子聚合物导电材料要具有一定的柔韧性,通常需要对其结构进行设计,或需与其他柔性基材进行复合,因而存在制备成本高、工艺过程复杂的缺陷;水凝胶易于受环境影响,在高温或低湿度环境下水分易蒸发,引发使用故障;离子凝胶则存在离子液体泄露的风险,对人体或环境具有潜在的威胁;电子产品快速更新换代和设备损耗产生的电子废弃物,难以降解或回收,对环境造成严重负担。因此,为有效解决以上问题,本文从分子结构设计的角度出发,制备了多种干式非凝胶的“聚合低共熔溶剂”(poly(polymerizable deep eutectic solvents),Poly(PDESs))透明导电弹性体,并将其应用于柔性电子器件中。具体研究内容如下:(1)针对部分柔性导电器件使用过程中不可避免地会与外界或人体皮肤代谢物接触,长期使用会滋生细菌进而危害使用者健康安全,因而需要柔性导电材料具有一定的抗菌性能。基于此,本章精确设计并选取了具有优异抗菌作用的四甲基氯化铵作为氢键受体,丙烯酸、马来酸作为可聚合的氢键供体,制备了具有优异抗菌作用的四甲基氯化铵-丙烯酸-马来酸PDESs体系。经红外、核磁氢谱和示差热量扫描等方法表征了PDESs的形成是由于组分间的氢键相互作用。PDESs经原位光聚合后可快速制备具有抗菌作用(抑菌率接近100%)的高透明(光学透过率高达93%)、可拉伸(拉伸应变为917%-1025%)、可自修复(0.8 s内电学修复效率高达99%)的导电弹性体并将其用于柔性离子皮肤传感器的构建。该抗菌型传感器对外部刺激和温、湿度变化具有灵敏的电信号响应,而且制备的传感器具有优异的使用耐久性和电学稳定性。本章提出使用PDESs制备本征抗菌透明导电弹性体的实验方法,具有简单、快速、绿色、成本低等优点,将为抗菌柔性导电材料的制备提供一种新的思路,也将进一步拓宽PDESs体系的应用范围。(2)机械性能作为柔性电子器件基本性能指标之一,一直是不断追求和完善的目标。因此,为了进一步改善透明导电弹性体在机械性能方面的不足,本章在PDESs体系中引入了具有高氢键密度的植酸小分子,制备了四甲基氯化铵-丙烯酸-植酸型的PDESs体系。植酸分子中有6个磷羟基基团,可使组分间形成多重氢键结合。利用这一特性,实验中制得了具有超高机械强度和优异拉伸性能的透明导电弹性体。其中,当植酸含量为10 wt.%时,制得的导电弹性体具有超高机械强度(拉伸应力为31.21 MPa、拉伸应变为3645%)、较高的光学透过率(>94%)、优异的导电性(电导率为0.007-0.04 S/m)和良好的自修复性能(0.26 s内电学修复效率高达99%)。此外,高机械强度的透明导电弹性体组装的应变传感器具有优异的检测极限、响应-恢复时间、电学稳定性和使用耐久性,使其具有在柔性电子领域应用的巨大前景。(3)在导电弹性体中引入自粘附性能可大幅提升柔性电子器件的整合能力,强的自粘附能力可降低界面阻抗并防止其在循环拉伸变形过程中脱落。为了进一步改善导电弹性体在粘附性能方面的缺陷,本章选取柠檬酸二氢胆碱作为氢键受体,丙烯酸和二水草酸作为氢键供体,合成了柠檬酸二氢胆碱-丙烯酸-二水草酸的PDESs体系。PDESs经原位光聚合后制备了具有高透明度(光透过率>92%)、离子导电(0.25-2.6×10-2 S/m)、可拉伸(拉伸应变为400%-4600%)、可自修复(修复效率为92.5%)和高粘附性能的导电弹性体。该透明导电弹性体可作为粘附型传感器附着在各种材料表面,其中最大粘附力高达0.84 MPa,而且优异的光学透过率还可以在不阻碍光学信号的情况下稳定的传输电学信号。值得一提的是,制备的新型PDESs还可以作为可快速光固化的胶水使用,直接通过光聚合过程附着在物体表面。这一基于动态地调控氢键密度以制备具有强弱交联强度聚合物网络的设计思路,为粘附型多功能传感器的发展提供了一种新的可行思路。(4)针对目前柔性电子器件制备复杂、生产成本高、废弃物难以处理回收等问题,根据PDESs的多样性和可设计性,设计合成了具有可循环回收和自修复性能的透明导电弹性体。实验中通过将含有3个醇羟基的甘油引入氯化胆碱-丙烯酰胺的PDESs体系中,制备了氯化胆碱-丙烯酰胺-甘油PDESs体系。甘油的引入为体系提供了更多的动态氢键交联,进而调控了聚合物网络中的交联密度。制备的弹性体具有优异的光学性能(光学透过率>92%)、可调的机械性能(拉伸应变为810%-1470%)、良好的离子导电性(0.01S/m-0.04 S/m)和优异的自修复性能(第三次切断后的修复效率仍高达93%)。而且,制备的透明导电弹性体可通过简单的水循环过程再生,实验发现,在经过5次循环回收后仍能保持其全部的功能特性。此外,制备的导电弹性体还显示出多样的传感功能,不仅能识别人体关节的运动,还能识别几种液体。因此,这一方法将对可持续和可回收的多功能柔性电子器件的发展起到一定地推动作用。(5)为有效减少电子产品快速更新换代和设备损耗而产生的电子垃圾,绿色、原料来源广泛、成本低廉的纸基电子器件是未来柔性电子器件发展的一个重要方向。同时,针对目前纸基柔性电子中存在制备工艺复杂、柔性纤维素纤维与导电填料杨氏模量不匹配、导电性与光学透过率存在相互制约等问题,本章提出将前一章制备的可循环的氯化胆碱-丙烯酰胺-甘油的PDESs体系与具有高光学透过率的纳米纤维素纸张复合来制备高透明的导电纳米纸。制备的导电纳米纸具有优异的光学性能(光学透过率高达93%)、力学性能(拉伸应力可达12.5 MPa,拉伸形变约为200%)和电学自修复性能(修复效率为82.3%),且可以成功应用在纸基电致发光器件中。透明导电纳米纸可以实现个性化的图案定制,如矩形长条、心形和和平鸽造型。实验中还发现切断后重新修复的电致发光器件依然能较好的工作,表明其具有优异的电学稳定性和使用耐久性。使用PDESs与纤维素纸结合的方法将对绿色可降解柔性电子器件的发展起到极大地推动作用。
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