华南理工大学何明辉课题组JMCA：基于聚合低共熔溶剂的高强度透明导电弹性体
导电弹性体（Conductive elastomers, CEs）广泛应用于传感器、柔性电极、可穿戴设备等各种柔性可拉伸电子器件，推动人类社会的智能化发展。但由于弹性聚合物通常是由线性高分子链交联形成的三维网络结构，力学强度高的材料往往伸长率较低，故难以兼顾力学强度和拉伸性能。此外，大多数CEs存在不透明、无法本征导电或制备复杂等问题，限制了CEs的实际应用。
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, 874; J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 5056.），设计了高氢键结合强度的PDES单体，氢键受体为四甲基氯化铵，氢键供体为丙烯酸，高氢键密度的植酸为氢键交联剂，氢键缔合后形成四甲基氯化铵-丙烯酸-植酸型PDES单体；通过快速高效的原位光聚合，制作具有高机械强度（31.21MPa）和优良拉伸性能（3645%）的导电弹性体（如图1）。该弹性体还表现出优异的透明度(>94%，图2)、良好的电导率(0.007-0.04 S/m)和快速的自愈合能力(0.26秒电学修复效率达99%)。
图1. 高机械强度透明导电弹性体的设计理念。
图2. 高机械强度透明导电弹性体的光学性能和力学性能。
如图3（a-c）所示，制得的弹性体具有优异的机械性能。其中，不含植酸的CE的抗拉强度高达82 MPa，断裂伸长率仅为22%；当植酸用量调至15 wt.%时，应力为4.39MPa，应变高达6100%。植酸用量升为10 wt.%时，拉伸应力为31 MPa，应变高达3645%，有效平衡了拉伸应力和应变之间的矛盾。如图3（d-e）所示，研究人员还使用密度泛函理论（Density functional theory， DFT）研究了各组分的结合能。计算结果表明，在加入植酸后，四甲基氯化铵-丙烯酸-植酸PDES具有较低的结合能，结合强度更高。经过文献对比（图3（f-g）），植酸的用量为10 wt.%时的弹性体，具有超高的韧性（615 MJ*m−3）。
图3. 高机械强度透明导电弹性体的力学性能。
如图4所示，弹性体还具有良好的电学自修复性能，切断后仅需0.26 s即可恢复到初始电阻的99%（图4（a-c））。如图4（d）所示，室温修复24 h后裂缝逐渐消失，修复前后的弯手指电学信号响应几乎没有差别（图4（e-g））。
图4. 高机械强度透明导电弹性体的自修复性能。
为了进一步验证导电弹性体在柔性电子中应用的可行性，研究人员将其组装为检测人体运动的传感器件（图5（a））。如图5（b-g）所示，弹性体既可监测人体较大幅度的运动（如站立、行走和跑跳等），也可以监测人体关节处的细小弯曲（手指关节和肘部关机等），并具有十分灵敏的响应速度（图5（f））和优异的耐久性（图5（g））。
图5. 高机械强度透明导电弹性体的应用。
以上相关成果以“ Polymerizable deep eutectic solvent-based mechanically strong and ultra-stretchable conductive elastomers for detecting human motions”为题发表在Journal of Materials Chemistry A上。论文的第一作者为华南理工大学博士生张凯丽，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/articlehtml/2021/ta/d0ta11508h
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