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原题目:东华大学游正伟团队柔性可穿着电子器件直接3D打印重塑循环行使

可穿着电子器件在生命体征监控、人机交互等领域展现了广漠的应用远景,生长迅猛,同时对质料也提出了越来越高的要求,可拉伸、弹性的导电质料成为其中磅礴兴起的热门偏向。电子装备的使用寿命有限,它们在使用过程中不可避免地会发生损坏并损失功效,成为电子垃圾。随着可穿着电子器件越来越普遍的使用,给环境造成的污染日益严重,亟待解决。

据此,东华大学质料科学与工程学院游正伟教授团队研制了基于Diels-Alder 协同反映的新型可重塑、可降解的动态交联弹性高分子,进而通过纳米复合,修建了具有优越韧性和拉伸性的导电弹性体,其可3D打印便捷定制可穿着电子器件,特别是可以通过3D打印实现直接高效接纳和同步加工再行使,为解决日益严重的电子垃圾问题提供了新质料新思路。相关研究事情近期以《可降解完全可接纳动态热固性弹性体用于3D打印可穿着电子器件》(Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics)为题发表于《先进功效质料》(Advanced Functional Materials),质料学院博士生郭一凡、陈硕为配合第一作者,游正伟教授为通讯作者。

该事情设计的关键是具有优越的动态性的聚酯弹性体PFB。PFB通过呋喃和马来酰亚胺结构之间的Diels–Alder环加成反映实现动态交联,由于环加成反映属于协同反映,具有高的特异性,因此PFB在环境下可以保持持久的动态性,具有优越的热塑性,可以通过3D打印工艺便捷地加工和接纳行使。相比之下,现在大量使用的基于离子和自由基反映的可逆交联体,其中间体容易被水分、氧气等淬灭,因而不宜长期使用。而且PFB同时具有可降解性。电子器件的接纳循环数目有限,降解仍然是电子垃圾的最终解决方案。可接纳电子产品的可降解性此前研究甚少。本事情选择酯键来构建聚合物的主链,一方面其具有优越的热稳固性,PFB剖析温度跨越300℃,而同时酯键又具有优越的水解和酶降解性能,使其具有利便的环境和生物降解性。由此构建的电子产品能够将可接纳性和可降解性连系,有望大大削减由其发生的电子垃圾对环境的影响。

图1.可降解、可重塑弹性高分子(PFB)的设计及其动态性表征

导电复合弹性体的研制

将PFB弹性高分子与纳米导电填料碳纳米管、银纳米片和炭黑复合研制了弹性导电复合质料(PFBC)。当样品拉伸100%时,PFBC电阻只发生稍微转变,而且在循环拉伸过程中表现出优越的导电稳固性。因此PFBC有望适用于制备动态力学环境中使用的电子装备。接纳的PFBC保持了其优越的力学性能和电导率(约100 S cm-1)。韧性是表征质料力学性能的一个主要参数,质料的韧性越高,越不容易被损坏,越耐用。因此,高韧性质料是可穿着电子产品的理想选择。经由三次循环后,PFBC的韧性仍能保持在10.1 MJ m-3,显著高于已报道的用于可接纳行使的电子器件的导电质料。此外,由于CNT等纳米填料的存在,PFBC在近红外光照射下,发生光热效应,促进PFB中的Diels–Alder反映,从而使质料表现出优越的自修复性能。

图2.导电纳米复合弹性体PFBC具有优越的导电性、自修复性、加工性和接纳性等综合性能,为可穿着电子器件的修建提供了理想质料。

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首次报道3D打印可接纳可穿着电子器件

接着,本事情证实PFB/PFBC质料高效修建可接纳电子器件的应用。通过3D打印直接接纳再行使PFB/PFBC质料,依次制备了摩擦纳米发电机(TENG),电容式压力传感器和柔性键盘,划分应用于能量网络装备、动作监测传感器和可穿着信号输入器,显示其广漠的应用远景。

图3.PFB/PFBC通过3D打印高效接纳行使,构建多样的可穿着电子器件。

稳固性与降解性的有机连系

由于质料具有稳固的共价交联结构,其制备的电子器件具有精彩稳固性。上述三种电子器件在上千次的循环测试中均展现了稳固的电学信号。本事情以3D打印的压力传感器作为代表考察了器件的环境耐受性。划分在高温(100°C加热1h)(Ⅰ),高湿度(> 60%放置1个月)(Ⅱ),盐水(Ⅲ)和乙醇(Ⅳ)浸泡24小时后举行测试,压力传感器的电信号均保持一致,解释其具有优越的环境耐受性。更进一步的,通过酶解实验,验证了制备的电子器件的降解性,而此前报道的可接纳电子器件的降解性一直被忽略。可接纳行使和降解性的连系为电子垃圾问题的解决提供了新质料、新思路。

图4.3D打印可穿着电子器件优越的稳固性、环境耐受性及降解性。

该事情获得了国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志设计等项目资助。

泉源:东华大学

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