​水下也能自修復的熱塑性彈性體助力柔性電子發展

近年來,柔性電子器件飛速發展,它們被廣泛用於醫療診斷、監測和柔性機器人等領域。然而,這種器件的不足之處在於,由於其柔軟的性質,它們對機械損傷非常敏感。如果能夠將自我修復功能引入到現有的柔性器件中,使其能夠在受到外力破壞後自我恢復,將會極大提高設備的壽命、可靠性和耐用性。

對於大多數柔性電子器件來講,我們非常希望它能夠防水或者在水下使用,因為器件在使用過程中,不可避免的會遇到各種濕度環境,例如人的汗水或者自然的雨水。除非材料對水不敏感,否則這些裝置在遇到水後會發生結構破壞,進而影響相關功能。因此,我們需要開發一種可以用於真實柔性電子器件場景下的水下自修復材料。

在該領域的早期研究階段,所有已報道的水下自修復材料主要有兩種:

1)含有硼酸酯或硼氧辛鍵的硼酸衍生物;

2)天然形成的鄰苯二酚基團。然而,它們都有局限性。硼酸衍生物會發生嚴重的水解,在水中非常不穩定。鄰苯二酚基團對pH值非常敏感。

最近,有很多研究者報道瞭具有水下自修復功能的彈性體,但都存在自修復效率較低、力學性能較差等不足,不能真正用於水下柔性電子器件。因此,當前該領域的需求可以概括為:

1)開發高強度、可高效水下修復的材料;

2)深入研究將此類材料用於復雜的水下電子系統中。

​水下也能自修復的熱塑性彈性體助力柔性電子發展

基於這些問題,以色列理工學院Hossam Haick教授課題組研發瞭一種新型水下自修復熱塑性彈性體他們以端羥基聚丁二烯(HTPB)為原料,通過異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)和4-氨基苯基二硫化物(APDS)兩個主要反應合成瞭一種新的聚合物PBPUU,相關制備過程如圖1所示。其中,HTPB部分提供瞭低溫彈性和優異的耐水性,APDS組分提供瞭動態的二硫鍵和氫鍵。基於共價鍵(二硫鍵)和非共價鍵(氫鍵)的兩種綜合自愈機制的存在以及聚合物的高柔軟性使其成為一種非常有效的自修復材料。

​水下也能自修復的熱塑性彈性體助力柔性電子發展
圖1 PBPUU的合成及物理性能

作者測試瞭PBPUU在不同的水環境中的自愈合能力,包括自來水、海水、酸性溶液(pH=3)和堿性溶液(pH=11)。該彈性體在不同的溶液環境中的自修復效率都達到瞭80%以上(24 h),這種良好的水下自修復能力來源於PBPUU中高度疏水重復單元(聚丁二烯)。力學測試結果表明,該聚合物具有良好的力學性能,伸長率可達1100%,最大拉伸強度為6.5 MPa(圖2)。

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圖2 PBPUU的自修復性能和力學性能

為瞭研究結構設計對聚合物在水環境中行為的影響,作者進行瞭分子動力學模擬(圖3)。作者將PBPUU與PPGPUU兩種聚合物進行對比,其中,PPGPUU的重復單元將丁二烯變成瞭丙二醇。研究發現,PBPUU在水中存在著軟硬相分離,水分子隻與PBPUU的硬相相互作用,幾乎不擴散到PBPUU的軟相。相反,對於PPGPUU,水分子跨越瞭聚合物的軟相區域,破壞瞭分子間作用力,並導致高溶脹率。這些結果也通過溶脹實驗得到瞭驗證。

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圖3 PBPUU和PPGPUU在水環境中的分子動力學模擬

最後,作者展示瞭該材料在水下電子皮膚和應變傳感器的應用(圖4,5)。我們相信,隨著水下自修復材料的發展,將為今後柔性電子器件的應用提供更為廣闊的前景。

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圖4 PBPUU在柔性電子和水下器件的應用
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圖5 自修復應變傳感器

原文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201910196

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