柔性可穿戴电子器件的直接3D打印重塑循环利用——东华大学游正伟教授团队在电子弹性材料领域新进展
发布人: 星禧   发布时间: 2021-02-10    浏览次数:


 

摘要:可穿戴电子器件在生命体征监控、人机交互等领域展现了广阔的应用前景,发展迅猛,同时对材料也提出了越来越高的要求,可拉伸、弹性的导电材料成为其中磅礴兴起的热点方向。电子设备的使用寿命有限,它们在使用过程中不可避免地会发生损坏并丧失功能,成为电子垃圾。随着可穿戴电子器件越来越广泛的使用,给环境造成的污染日益严重,亟待解决。据此,东华大学材料科学与工程学院游正伟教授团队研制了基于Diels-Alder 协同反应的新型可重塑、可降解的动态交联弹性高分子,进而通过纳米复合,构筑了具有良好韧性和拉伸性的导电弹性体,其可3D打印便捷定制可穿戴电子器件,特别是可以通过3D打印实现直接高效回收和同步加工再利用,为解决日益严重的电子垃圾问题提供了新材料新思路。 相关研究工作近期以Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics》为题发表于材料学著名国际学术期刊Advanced Functional Materials,东华大学材料学院博士生郭一凡和陈硕为共同第一作者,游正伟教授为通讯作者。

 

可降解、可重塑弹性高分子(PFB的构建

该工作设计的关键是具有良好的动态性的聚酯弹性体PFBPFB通过呋喃和马来酰亚胺结构之间的Diels–Alder环加成反应实现动态交联,由于环加成反应属于协同反应,具有高的特异性,因此PFB在环境下可以保持持久的动态性,具有良好的热塑性,可以通过3D打印工艺便捷地加工和回收利用。相比之下,目前大量使用的基于离子和自由基反应的可逆交联体,其中间体容易被水分、氧气等淬灭,因而不宜长期使用。并且PFB同时具有可降解性。电子器件的回收循环数量有限,降解仍然是电子垃圾的最终解决方案。可回收电子产品的可降解性此前研究甚少。本工作选择酯键来构建聚合物的主链,一方面其具有良好的热稳定性,PFB分解温度超过300而同时酯键又具有良好的水解和酶降解性能,使其具有方便的环境和生物降解性。由此构建的电子产品能够将可回收性和可降解性结合,有望大大减少由其产生的电子垃圾对环境的影响。

 

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

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材料(PFBC)。当样品拉伸100%时,PFBC电阻只发生轻微变化,并且在循环拉伸过程中表现出良好的导电稳定性。因此PFBC有望适用于制备动态力学环境中使用的电子设备。回收的PFBC保持了其良好的力学性能和电导率(约100 S cm-1)。韧性是表征材料力学性能的一个重要参数,材料的韧性越高,越不容易被破坏,越耐用。因此,高韧性材料可穿戴电子产品的理想选择。经过三次循环后,PFBC的韧性仍能保持在10.1 MJ m-3明显高于已报道的用于可回收利用的电子器件的导电材料。此外,由于CNT等纳米填料的存在,PFBC在近红外光照射下,产生光热效应促进PFB中的Diels–Alder反应,从而使材料表现出良好的自修复性能。

团队主页:

 

团队简介:游正伟教授为纤维材料改性国家重点实验室博导,任东华大学复合材料系主任,中国纺织工程学会柔性电子生物医用纺织材料科研基地主任。长期从事生物医用弹性体、3D打印、及其在组织修复和医用柔性电子领域应用的研究。发表SCI论文70多篇,其中近五年在National Science Review, Nature Communication, Advanced Materials等国际著名期刊(IF>10)发表通讯作者论文17。申请中国发明专利40多项,授权16项。成果被国家自然科学基金委员会出版的《Science Foundation in China》期刊、《中国科学报》头版、国家新材料产业发展战略咨询委员会出版的《18年度新材料技术发展蓝皮书》等专题报道。在欧洲材料研究学会年会、中国材料大会等重要学术会议上做主旨和邀请报告40余次。担任国际学术期刊《Smart Materials in Medicine》副主编、《Advanced Fiber Materials《中国材料进展》青年编委。