RICH88

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我校游正伟教授团队实现热固性弹性体室温下可控溶解回收

发布时间:20514-09-22发布部门:材料科学与工程学院

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柔性电子产品引起了广泛的关注,在生命体征监控、运动监测和人机交互等领域展现了广阔的应用前景。这些电子器件的蓬勃发展给人们的生活带来更多便利的同时,也造成了资源大量消耗和环境污染等问题。如何实现柔性电子器件的可持续发展成为人们关注的热点。热固性聚合物由于其良好的力学和热学等性能,被大量地应用于柔性电子,而传统的热固性材料的分离回收通常需要化学处理等苛刻条件破坏聚合物的分子结构,回收过程复杂,回收材料的性能不稳定。如何实现柔性电子器件的高效回收仍是目前亟需解决的一大难题。据此,RICH88材料科学与工程学院游正伟教授团队设计开发了首个室温下可控溶解回收的热固性弹性体,并展示了其在可回收柔性电子器件领域的应用。

成果简介

作者通过对弹性体基底材料的分子结构进行设计,调控DA交联单元的可逆反应速率,制备了一种适用于柔性电子器件的新型热固性聚氨酯弹性体(FPU),实现了热固性材料在室温下的可控溶解回收。该弹性体采用2,5-呋喃二甲醇和双马来酰亚胺反应得到的DA加成结构作为交联单元。该单元是一种解离交换型的动态共价结构,具有快速解离和缓慢结合的可逆反应特征。FPU在逆DA反应温度(TrDA)以下工作时可以保持交联状态,保证材料的稳定性和耐用性。在TrDA加热几分钟后FPU可以转变为低交联状态,并可以在室温下维持该状态数小时,为材料的室温溶解回收提供了时间窗口。

(动态杂化交联弹性体FPU的设计)

由氢键、二硫键和DA加成单元组成的杂化交联网络,赋予了弹性体材料优良的拉伸性、室温自愈合、仿生力学和易加工性等适用于柔性电子器件的综合性能。室温下自愈合6小时,FPU可以恢复50%以上的拉伸断裂强度,60℃下自愈合6小时则能恢复80%以上的拉伸断裂强度。并且FPU表现出了良好的弹性和韧性,能够耐受多次大程度拉伸变形。在100%的循环拉伸实验中,材料放置5分钟就能恢复其初始拉伸力学状态。


(FPU的自愈合性、力学性能和加工回收性)

(3D打印FPU)

在正常使用条件下,FPU是具有稳定共价交联网络的热固性材料,在室温下浸泡在氯仿中仅发生轻微溶胀现象。而当FPU在120 °C下加热5分钟后,由于DA加成结构发生可逆解离,材料转化为低交联状态,表现出热塑性材料的性质,可以在室温下用丙酮、四氢呋喃和氯仿等多种有机溶剂溶解后直接回收再利用。整个过程无需添加其他化学原料将聚合物降解成小分子或者低聚物,并且回收后材料力学性能基本保持。FPU可以与多种市售的电子元件复合制备多功能柔性电子器件,使用后,FPU和电子元件可以通过溶解来分离回收用以制造新的柔性电子产品。回收方法简单,不会对材料和电子元件产生任何损伤,实现了柔性电子产品的高效便捷分离回收,提高了材料和其他电子元件的使用率,避免了资源浪费。

(FPU在室温下可控溶解回收及复合电子元件回收性展示)

作者将FPU与纳米导电填料混合制备出导电弹性体FPUC,同样具有良好的回收加工性。基于FPU和FPUC,通过上述溶解回收策略,结合3D打印依次制备了三种柔性电子器件:位置传感器、柔性键盘和运动传感器。


图4.基于FPU构筑的可回收柔性电子器件。


3D打印FPU基位置传感器

 

通过调控DA加成结构的可逆反应速率,作者构建了一种室温可控溶解回收的热固性聚氨酯弹性体FPU,在120℃下加热5分钟就能溶解在氯仿等多种有机溶剂中实现回收利用。通过构筑的多重动态交联网络,FPU还具有优良的自愈合性、仿生力学和易加工性。可以通过3D打印技术定制成多种柔性电子设备,具有良好的适用性。该工作为可回收的热固性弹性体的设计合成和柔性电子器件的应用提供了新的设计思路。

上述成果以“A Dynamically HybridCrosslinked Elastomer for Room-Temperature Recyclable Flexible ElectronicDevices”为题发表在材料学国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上,论文的第一作者为RICH88材料科学与工程学院博士生郭一凡,通讯作者为游正伟教授。

论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202106281

团队主页:http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/main.psp

视频:   摄影: 撰写:郭一凡  信息员:星禧  编辑:李盈颉

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