华南理工大学何明辉课题组：有机溶剂极端环境下可自修复的透明导电弹性体
导电弹性体在柔性光电器件领域具有广泛的潜在应用，尤其是自修复功能的引入解决了材料长时间反复拉伸变形可能发生的裂痕、断裂或导电性能下降等问题，有助于延长器件的使用寿命，提高可靠性，然而开发在复杂极端环境下具有自修复增强适应性的材料是该领域面临的新问题。最近，科研人员已经尝试开发了多种极端环境下具有自适应能力的自修复材料，在低温，水下以及酸碱性环境中能够实现自修复。但是上述材料制备过程通常依赖有机溶剂（如吡啶，二乙醚，丙酮或氯仿等）增溶，或溶剂挥发后形成具有自修复功能的聚合物复合材料，故此类材料在极端有机溶剂环境下很难自修复。因此，亟需一种新的化学结构的设计策略，制备具有多功能性的自修复增强适应性材料。
为解决上述问题，华南理工大学何明辉副研究员在前期开发的可聚合低共熔溶剂（Polymerizable deep eutectic solvent, PDES）透明导电材料的工作基础上（J. Mater. Chem. C, 2017, 5, 8475; Chem. Commun., 2018, 54, 2304; ACS Appl. Mater. Inter., 2019, 11, 14313; Chem. Commun., 2020, 56, 2771; Chem. Mater., 2020, 32, 2, 874），利用丙烯酸/氯化胆碱（AA/ChCl）和马来酸/氯化胆碱（MA/ChCl）两种PDES单体的原位光聚合，增加超分子网络体系内的氢键密度，制备了的透明导电弹性体Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)具有高透明度（93%）、优秀机械性能（拉伸形变1450%）、良好导电性（4.3 ×10−3 S cm−1）和自修复性能（如图1）。特别地是，Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)可以在有机溶剂内自修复，且光学、力学和电学性能几乎不受影响。
图1. 有机溶剂环境下可自修复的透明导电弹性体Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)。
研究人员设计合成了两种PDES单体，AA/ChCl和MA/ChCl，利用原位UV光聚合制备透明导电弹性体Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)，测试光学、电学和力学性能。紫外-可见光谱显示弹性体的光学透过率高达93%（图3a-b）。通过控制两种PDES单体的比例，调控弹性体的机械拉伸性能和杨氏模量，1:0.5时Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl) 达到1450%的最大拉伸（图3c）。将弹性体连入电路测试其电学性能，小灯泡可以在弹性体循环拉伸过程中保持发光，表明其优异的电学性能（图3d-f）。
图2. Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)的光学、力学和电学性能。
体系内超高的氢键密度有利于形成强的超分子动态网络，室温环境下Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)弹性体便可自发修复，48小时后达到91.5%的修复效率（图3a-b）。低共熔分子结构设计赋予了PDES极低的玻璃化转变温度（Tg=-75.1°C到-57.4°C之间），避免了水凝胶易出现的结冰和弯折断裂等问题，Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)弹性体在低温下依然可以保持优异的光学和力学性能（图3c-d）。
图3. Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)的自修复和耐低温性能。
有机溶剂小分子易于溶胀或溶解聚合物，导致极端溶剂环境下的自修复失效。然而Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)弹性体在有机溶剂环境下具有优秀的自修复能力，适用溶剂包括丙酮、1,4-二氧六环、乙酸乙酯、乙醚、二氯甲烷、甲苯和己烷等。如图4所示，Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)可以在有机溶剂内完成自修复，修复24小时后几乎不影响弹性体的光学、力学和电学性能，修复后的弹性体依然可以用作监测人体活动的传感器。
图4. 有机溶剂环境下Poly(AA/ChCl-co-MA/ChCl)的自修复性能。
以上相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A 上 (J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 5056-5061)。论文的第一作者为华南理工大学博士生李仁爱，共同第一作者为华南理工大学陈广学教授和樊婷副研究员，通讯作者为华南理工大学何明辉副研究员。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta00050g#!divAbstract；
https://doi.org/10.1039/D0TA00050G
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