【摘 要】
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本征自修复作为一种仿生技术,能够实现材料或器件裂纹的自行修复从而保证它们的安全性并延长寿命,因此该技术与材料电学功能性的结合在无机或有机电子领域受到越来越多的关注。目前,导电自修复材料的制备主要基于本征自修复聚合物和无机导电填料的复合。如何实现各复合单元材料之间的有效兼容、复合体系导电性和自修复性的协同,以及温和的自修复条件等一直是本领域研究的核心和亟待解决的难题。聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PE
【基金项目】
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国家自然科学基金地区项目,本征自修复导电PEDOTs复合材料的制备及电学性能,编号51863009,2019.01-2022.12; 国家自然科学基金(No.51603095); 国家留学基金(No.201808360327); 江西省自然科学基金青年基金项目,柔性PEDOTs/PSS基自愈合薄膜
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本征自修复作为一种仿生技术,能够实现材料或器件裂纹的自行修复从而保证它们的安全性并延长寿命,因此该技术与材料电学功能性的结合在无机或有机电子领域受到越来越多的关注。目前,导电自修复材料的制备主要基于本征自修复聚合物和无机导电填料的复合。如何实现各复合单元材料之间的有效兼容、复合体系导电性和自修复性的协同,以及温和的自修复条件等一直是本领域研究的核心和亟待解决的难题。聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)及其衍生物作为一系列最成功的导电聚合物(CPs)之一,因具有导电性可调及生物相容性、热稳定性和环境稳定性较好等优点,而在导电自修复领域受到关注。针对PEDOT自修复的研究,目前主要是以商业化的聚(3,4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)水分散体(特别是高电导率型号Clevios PH1000)作为研究对象,通过水驱动PSS–链的溶胀或加入一些表面活性剂、交联生物分子或其他添加剂来提高复合材料的粘弹性等来实现自修复。虽然这类复合材料表现出良好的可加工性和导电性,但必须通过水驱动才能进行修复,这将会大大限制这些材料在电子器件中的应用。此外,Clevios PH1000的垄断性单一来源、高成本以及难储存的问题也会限制它的大规模使用,且其中过量的聚阴离子PSS–具有很强的酸性和吸湿性,这对电子器件而言也是一个致命的问题。为了战胜以上挑战,本论文通过将可逆Diels-Alder(DA)键引入到PEDOT:PSS和PEDOT体系中,制备具有热修复性能的导电聚合物薄膜,并系统地探索了不同因素对薄膜性能(形貌、导电、表面润湿性、自修复等)的影响。主要研究内容和结果如下:1、为在现有应用效果优异的导电聚合物体系中引入自修复功能,通过物理共混的方式在PEDOT:PSS体系中引入带有DA基团的小分子单体(呋喃(Fu)和马来酰亚胺(MI)),制备了一系列PEDOT:PSS/DA复合薄膜,探究了DA小分子的比例、导电促进剂的类型(二甲基亚砜(DMSO)和异丙醇(IPA))和比例以及干膜温度等对其形貌、导电性、表面润湿性和自修复性能等的影响。结果表明,DMSO和IPA比例的增大对薄膜的热修复并未发挥较强的促进作用,且随着添加剂的比例增大到一定程度,复合体系的流动性增大,不易成膜。随着DA单体比例增大,薄膜的热修复性能并没有受到较大的影响,但薄膜表面析出白色晶状物质增多。薄膜干燥的温度对热修复的影响也不大,但退火处理会使薄膜变得更为平滑。因此,将PEDOT:PSS与DA单体(Fu和MI)共混并不能实现有效的薄膜热修复。这可能是由于过量PSS–存在导致的强酸性体系及小分子DA化合物键合作用不足等造成。2、为避免PSS-酸性和吸湿性对CPs自修复能力和未来应用需要的不利影响,首先合成带有DA基团但非水溶性的本征自修复聚合物聚氨酯(PU-DA),然后通过原位氧化聚合的方式在其溶液中直接引入3,4-乙撑二氧噻吩(EDOT)单体和对甲苯磺酸铁(氧化剂),制备了一系列的PEDOT/PU-DA复合薄膜,并探究了PU-DA的比例和EDOT的氧化聚合时间等对其形貌、导电性、表面润湿性和自修复性能等的影响。结果表明,当PU-DA四氢呋喃(THF)溶液的浓度为30 wt.%,所制备的复合薄膜可同时实现导电性和自修复性的有效协同。随EDOT氧化聚合时间的延长,复合薄膜的导电性会逐渐降低。随热修复温度增高,薄膜的结构修复效果会逐渐增强,但会丧失导电性。3、为进一步增强导电薄膜的自修复能力,继续在PU-DA大分子体系中引入带有DA基团的小分子化合物2,4-己二炔-1,6-二醇(DADOL),通过简单的机械互混制备PU-DA/DADOL混合溶液,然后通过原位氧化聚合的方式在其溶液中直接引入EDOT单体和对甲苯磺酸铁(氧化剂),制备了一系列PEDOT/PU-DA/DADOL复合薄膜,探究了DADOL和DMSO的比例对其形貌、导电性、表面润湿性和自修复性能等的影响。结果表明,通过可逆多重DA键合可使复合薄膜在热驱动下实现结构形貌与导电性能的同时修复。其关键是优化复合体系的成分比例,并调控100°C到60°C范围内的热驱动过程,保证逆DA(r-DA)反应和DA键的重新形成。薄膜中交联DA反应是由共存的大分子PU-DA与小分子DADOL共同引起的。其中,以5 wt.%的DADOL配比,在无DMSO掺杂下,所制备的复合薄膜导电性能最高,其体电阻为0.89±0.11 MΩ。该复合薄膜在100°C下处理10 min,接着在60°C下处理6 h可以实现其损伤部位裂纹的修复和电学性能的恢复。
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