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快速自恢復、高強度導電水凝膠研制成功 推動柔性電子器件發展
文章來源:未知     點擊數: 次     更新時間:2019-07-10 15:26

 柔性電子的發展迫切需要同時具備優良的機械性能(韌性、可拉伸性和自恢復性能)、導電性和透明性等集多種性能與一體的柔性導體。水凝膠作為一種半固態離子導體,鑒于其高透明性、粘彈性和易調控性等優點,在柔性電子領域引起研究者廣泛的關注。然而,傳統水凝膠力學性能和自恢復能力通常較弱,難以滿足實際應用的需求。在水凝膠中引入共價鍵交聯網絡是提高力學性能的有效方法,但是由于共價鍵自身的不可逆性,將會很大程度的犧牲其自恢復能力。而水凝膠的自恢復性能,以及發生形變后的機械和導電性能的穩定性決定了柔性電子器件的壽命和性能穩定性,成為考量柔性電子器件的主要參數。因此,為了達到可拉伸柔性電子器件的實際要求,需要制備同時具有高強度、自恢復和導電性能的水凝膠材料。

 

針對上述問題,陳詠梅教授課題組首次采用將自由基聚合和凍融處理結合的方法制備了基于氫鍵的快速自恢復、導電、高強度硫酸-聚丙烯酸/聚乙烯醇水凝膠(H2SO4-PAA/PVA,SPP,水凝膠)。在該凝膠體系中,H2SO4同時發揮兩個功能:抑制聚丙烯酸高分子鏈上羧酸基的電離,從而促進氫鍵形成,提高力學性能,同時,提供導電氫離子以提高水凝膠的導電性能。因此,水凝膠獲得了優異的綜合機械性能,包括快速自恢復 (應變為1時,瞬間自恢復;應變為20時,10 min內自恢復)、高斷裂強度(3.1 MPa)和高韌性(18.7MJ m−3) (圖1)。

 

此外,基于水凝膠上述優異的綜合力學性能和導電性,設計了基于該水凝膠的可拉伸離子導線和電容型壓力傳感器。在500%變形時,該可拉伸離子導線的電阻率基本保持不變,所以在反復拉伸過程中仍表現出良好的導電性和性能穩定性,整個拉伸期間麥克風可正常播放音樂。基于該水凝膠的電容型壓力傳感器在反復加載后對靜壓和動壓都表現出良好的信號響應。由于水凝膠快速的自恢復性,在撤去外力后,器件的響應瞬間恢復到初始狀態(圖2)。該水凝膠對設計性能穩定、長壽命的柔性電子器件具有推動的意義,有望拓展水凝膠在可拉伸電子領域中的應用。

 

圖1基于氫鍵的快速自恢復、高強度導電SPP水凝膠。(A)兩步法制備氫鍵基物理水凝膠,(B)水凝膠經過打結、拉伸和自恢復及壓縮后自恢復過程的照片,(C) 不同固含量水凝膠的拉伸應力-應變曲線,(D) 固含量30%的水凝膠在不同時間下的自恢復曲線 (室溫)。

 

圖2 基于SPP水凝膠的可拉伸離子導線和電容型壓力傳感器。(A)水凝膠的電阻率隨拉伸強度的變化。插圖:電阻隨拉伸比變化的實驗結果 (實線) 接近理論曲線 (虛線),(B) 可拉伸離子導線實驗裝置示意圖和安裝在與電腦連接的麥克風導線上的照片,(C)壓力傳感器的結構,片狀水凝膠夾在兩個平板鋁電極之間,(D)當兩個電極之間施加電壓時,鋁電極附近會吸附水凝膠中帶相反電荷的電離子形成雙電層,電容會隨著壓力的施加而增大,(E) 傳感器對靜壓的穩定、高響應性能,(F) 傳感器對手指動態彎曲的響應性能。

 

相關工作發表在ACS Appl. Mater. Interfaces (JCR1區,IF=8.456)雜志上,博士生王美香為本論文的第一作者,陜西科技大學特聘教授陳詠梅,西安交通大學楊志懋教授和美國內布拉斯加大學譚力教授為共同通訊作者。

 
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