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柔性可穿戴電子器件的直接3D打印重塑循環利用——東華大學游正偉教授團隊在電子彈性材料領域新進展
發布人: 星禧   發布時間: 2021-02-10    瀏覽次數:


 

摘要:可穿戴電子器件在生命體征監控、人機交互等領域展現了廣闊的應用前景,發展迅猛,同時對材料也提出了越來越高的要求,可拉伸、彈性的導電材料成為其中磅礴興起的熱點方向。電子設備的使用壽命有限,它們在使用過程中不可避免地會發生損壞并喪失功能,成為電子垃圾。隨著可穿戴電子器件越來越廣泛的使用,給環境造成的污染日益嚴重,亟待解決。據此,東華大學材料科學與工程學院游正偉教授團隊研制了基于Diels-Alder 協同反應的新型可重塑、可降解的動態交聯彈性高分子,進而通過納米復合,構筑了具有良好韌性和拉伸性的導電彈性體,其可3D打印便捷定制可穿戴電子器件,特別是可以通過3D打印實現直接高效回收和同步加工再利用,為解決日益嚴重的電子垃圾問題提供了新材料新思路。 相關研究工作近期以Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics》為題發表于材料學著名國際學術期刊Advanced Functional Materials,東華大學材料學院博士生郭一凡和陳碩為共同第一作者,游正偉教授為通訊作者。

 

可降解、可重塑彈性高分子(PFB的構建

該工作設計的關鍵是具有良好的動態性的聚酯彈性體PFB。PFB通過呋喃和馬來酰亞胺結構之間的Diels–Alder環加成反應實現動態交聯,由于環加成反應屬于協同反應,具有高的特異性,因此PFB在環境下可以保持持久的動態性,具有良好的熱塑性,可以通過3D打印工藝便捷地加工和回收利用。相比之下,目前大量使用的基于離子和自由基反應的可逆交聯體,其中間體容易被水分、氧氣等淬滅,因而不宜長期使用。并且PFB同時具有可降解性。電子器件的回收循環數量有限,降解仍然是電子垃圾的最終解決方案??苫厥针娮赢a品的可降解性此前研究甚少。本工作選擇酯鍵來構建聚合物的主鏈,一方面其具有良好的熱穩定性,PFB分解溫度超過300,而同時酯鍵又具有良好的水解和酶降解性能,使其具有方便的環境和生物降解性。由此構建的電子產品能夠將可回收性和可降解性結合,有望大大減少由其產生的電子垃圾對環境的影響。

 

1. 可降解、可重塑彈性高分子(PFB)的設計及其動態性表征

導電復合彈性體的研制

PFB彈性高分子與納米導電填料碳納米管、銀納米片和炭黑復合研制了彈性導電復合材料(PFBC)。當樣品拉伸100%時,PFBC電阻只發生輕微變化,并且在循環拉伸過程中表現出良好的導電穩定性。因此PFBC有望適用于制備動態力學環境中使用的電子設備?;厥盏?/span>PFBC保持了其良好的力學性能和電導率(約100 S cm-1)。韌性是表征材料力學性能的一個重要參數,材料的韌性越高,越不容易被破壞,越耐用。因此,高韌性材料可穿戴電子產品的理想選擇。經過三次循環后,PFBC的韌性仍能保持在10.1 MJ m-3,明顯高于已報道的用于可回收利用的電子器件的導電材料。此外,由于CNT等納米填料的存在,PFBC在近紅外光照射下,產生光熱效應,促進PFB中的Diels–Alder反應,從而使材料表現出良好的自修復性能。

 

2.導電納米復合彈性體PFBC具有良好導電性、自修復性、工性和回收性等綜合性能,可穿戴電子器件的構筑提供了理想材料。

首次報道3D打印可回收可穿戴電子器件

接著,本工作證實PFB/PFBC材料高效構筑可回收電子器件的應用。通過3D打印直接回收再利用PFB/PFBC材料,依次制備了摩擦納米發電機(TENG),電容式壓力傳感器和柔性鍵盤,分別應用于能量收集設備、動作監測傳感器和可穿戴信號輸入器,顯示其廣闊的應用前景。

 

3. PFB/PFBC通過3D打印高效回收利用,構建多樣的可穿戴電子器件。

穩定性與降解性的有機結合

由于材料具有穩定的共價交聯結構,其制備的電子器件具有出色穩定性。上述三種電子器件在上千次的循環測試中均展現了穩定的電學信號。本工作3D打印的壓力傳感器作為代表考察了器件的環境耐受性。分別在高溫(100 °C加熱1 h)(),高濕度(> 60放置1個月)(),鹽水()和乙醇(浸泡24小時后進行測試,壓力傳感器的電信號均保持一致,表明其具有良好的環境耐受性。更進一步的,通過酶解實驗,驗證了制備的電子器件的降解性,而此前報道的可回收電子器件的降解性一直被忽略??苫厥绽煤徒到庑缘慕Y合為電子垃圾問題的解決提供了新材料新思路。

 

4. 3D打印可穿戴電子器件良好的穩定性、環境耐受性及降解性。

 

該工作獲得了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、東華大學勵志計劃等項目資助。

原文鏈接: Guo, Y., et al., Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2020, 2009799. https://doi.org/10.1002/adfm.202009799

團隊主頁:http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/main.psp

 

團隊簡介:游正偉教授為纖維材料改性國家重點實驗室博導,任東華大學復合材料系主任,中國紡織工程學會柔性電子生物醫用紡織材料科研基地主任。長期從事生物醫用彈性體、3D打印、及其在組織修復和醫用柔性電子領域應用的研究。發表SCI論文70多篇,其中近五年在National Science Review, Nature Communication, Advanced Materials等國際著名期刊(IF>10)發表通訊作者論文17。申請中國發明專利40多項,授權16項。成果被國家自然科學基金委員會出版的《Science Foundation in China》期刊、《中國科學報》頭版、國家新材料產業發展戰略咨詢委員會出版的《18年度新材料技術發展藍皮書》等專題報道。在歐洲材料研究學會年會、中國材料大會等重要學術會議上做主旨和邀請報告40余次。擔任國際學術期刊《Smart Materials in Medicine》副主編、《Advanced Fiber Materials《中國材料進展》青年編委。

 

 


 
 
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