聚乳酸增韌有新招,可助力綠色柔性電子設備發展

智能柔性電子設備的繁榮發展,不僅要求相關材料展現出良好的可形變、高韌性、可循環等機械性能,也要求材料的生產、使用、回收過程對環境綠色友好。然而,目前所用的絕大部分高分子材料屬於非生物基材料,對環境保護帶來壓力,預計在2050年不可降解的電子電氣垃圾將達到1億噸。因此亟需發展基於綠色可回收高分子的電子產品。聚乳酸(polylactic acid, PLA)作為生物基高分子材料中的佼佼者,以其生物原料來源廣泛、生產技術成熟、高模量、高強度等優點著稱。但對於制備柔性器件而言,PLA的高脆性成為其致命缺點。因此,對聚乳酸進行增韌勢在必行。

聚乳酸增韌的常見策略包括與聚合物彈性體物理共混、與柔性分子鏈共聚以及引入一些彈性配對物,這些策略在增韌的同時,往往也使復合材料的強度以及模量大幅度降低。另外,常見的柔性電子器件基底由具有高應變回復能力的彈性體所組成,它們在外力卸載後易回復原狀,不利於某些機能的保持。因此,新加坡國立大學材料科學與工程系何超斌教授團隊有針對性的設計瞭一種具有核殼結構的生物基增韌劑,不僅大幅度提高聚乳酸的韌性(斷裂能提高15倍),還能保持其模量與純聚乳酸一致(>3 GPa)。該研究成果以《Bend, Twist, and Turn: First Bendable and Malleable Toughened PLA Green Composites》為題發表在最新一期的Advanced Functional Materials雜志上(DOI: 10.1002/adfm.202001565)。

新加坡國立大學《AFM》:聚乳酸增韌有新招,可助力綠色柔性電子設備發展

1. 增韌劑的結構:

核殼結構生物基增韌劑如圖1所以。作者選用生物基材料PHB為核,具有很好的韌性,通過開環聚合在PHB上共聚d-LA和ε-CL單體,使其具有高強度的外殼,且與聚乳酸表現出良好的界面相互作用,提高其相容性,使增韌效果進一步增加。

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圖1. (A) 酸催化法合成PHB-PLA-PCL共聚物的技術路線;(B,C) PHB-mono以及PHB-PLA-PCL共聚物的1H NMR光譜。

2. 增韌機理:

該增韌劑一方面對PLA具有促進結晶的作用,將PLA的結晶度從0.78 %提高至39.68 %,結晶度的提高有利於PLA保持較高的強度和模量;另一方面,剛性外殼容易使PLA基體產生大量的銀紋和空穴,消耗能量;第三,增韌劑降低瞭PLA的玻璃化轉變溫度,有利於PLA在承受載荷時發生大量塑性變形,結果如圖2和圖3所示。

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圖2. (A,B)樣品拉伸斷裂橫截面的SEM照片; (C)各組分樣品的SAXS 2D圖案和1D曲線。(i) PLA; (ii) PLA-2.5 wt%; (iii) PLA-5.0 wt%; (iv) PLA-10 wt%。
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圖3. PLA-10 wt% 樣品在形變前(A)和形變後(B)是SAXS曲線及SEM照片;(C)內部植入銅導線的柔性導體在不同形變時候的導電性結果照片。

此外,通過將銅導線植入純PLA及PLA-10 wt% 樣品,對比發現純PLA無法進行復雜的形狀改變,且容易脆斷,使導電通路中斷;PLA-10 wt% 樣品表現出極好的可形變能力,在外力作用下可進行復雜的形狀改變過程,而不會造成導電通路的中斷,且該形狀能夠長時間的保持,為將來綠色可降解型柔性電子器件的發展提供瞭新的思路。

該論文第一作者為新加坡國立大學材料科學與工程系的C. C. Y. Jayven博士,新加坡IMRE的Zibiao Li教授和新加坡國立大學的Chaobin He教授為共同通訊作者。

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202001565

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