东华大学游正伟教授AFM：3D打印可降解/可回收导电弹性体，用于柔性可穿戴电子器件

电子几乎遍及现代社会人类活动的各个方面。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损坏并失去功能，成为电子垃圾，已经对环境造成了相当大的污染。迫切需要开发可降解的电子产品或可回收的“绿色”电子产品。近年来，可穿戴电子设备已成为电子垃圾的主要来源之一。因此，它需要可回收/可降解的电子材料。这些材料需要满足一系列附加要求，包括适当程度的柔软度以确保与人体的机械匹配，强大的弹性以适应重复运动过程中的动态变形，易于加工的加工性以满足定制需求。

与传统的刚性和不可降解的无机电子材料相比，相对柔软的有机材料具有明显的优势，并且在可穿戴电子产品中变得越来越重要。一些可降解的聚合物，已被引入瞬态电子领域的制造中。但是，这些线性聚合物的高模量和差的弹性阻碍了其在可穿戴电子产品中的应用。因此，迫切需要开发具有坚固的弹性、合适的模量、优异的可加工性、可回收性和可降解性的新型电子材料。

基于此，东华大学游正伟教授课题组在国际期刊Advanced Functional Materials (IF 16.836)上发表题为“Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics”的研究论文，设计了一种可循环利用的导电复合材料（PFBC）。

本文要点：

在这项研究中，基于动态共价交联弹性体和分层混合纳米填料，设计了一种可循环利用的导电复合材料（PFBC）。

PFBC具有出色的普适性能，包括可加工性、弹性、导电性和稳定性，并优于先前报道的可回收电子产品的材料，并且由于其共价交联而具有出色的机械性能和环境耐受性，包括高温、高湿、盐水和乙醇。

Diels-Alder网络的可逆分解可以便捷地进行处理和回收。经过三次回收后，PFBC的韧性仍保持在10.1 MJ m^-3，这明显优于已报道的可回收电子材料。

PFB弹性体的设计和性能。

A）通过DA反应具有动态共价键的PFB的分子结构。

B）前体PBSF-FA（CDCl₃）的¹H NMR光谱。

C）PFB弹性体的热可逆交联示意图。

D）通过流变性测试，PFB的储能模量和损耗模量与温度的关系。

E）PFB弹性体的3D打印。

导电PFBC的特性。

A）PFBC的电阻值-应变曲线以及100％应变和30％预应变（插图）的循环拉伸过程中的电阻值。

B）通过流变学测试，PFBC的储能模量和损耗模量与温度的关系。

C）图像显示3D打印的PFBC具有导电性，并且抗压缩和拉伸。

D）原始和回收PFBC的简单拉伸试验的拉伸应变-应力曲线。

E）回收期间PFBC的电导率。

F）经过3次回收后，PFBC与其他报告的可回收电子材料的“韧性”、“电导率”和“应变”的比较。

G）使用近红外光照射1分钟，说明导电PFBC的自我修复。

使用直接3DP的基于PFBC的回收电子产品。

A）使用3DP的回收电子设备的示意图和SEM图像：TENG（顶部），压力传感器（中间）和柔性键盘（底部）。（B-F）3DP-TENG（B，C），3D打印-压力传感器（D，E）和3D打印-键盘（F，G）的电气性能。

B）开路电压（VOC）。

C）短路电流（ISC）。

D）具有梯度结构的传感器在高和低线性压力范围内均具有高灵敏度。

E）电容变化和变形完全实时匹配。

F）3DP键盘的照片展示了它的灵活性：粘住、水平拉、对角拉和折叠。

G）功能显示：数字键盘。

3D打印电子设备的电气稳定性和可降解性。

A）四个不同的3DP压力传感器的电容变化信号：I）在100℃下加热1小时，II）高湿度，（60％，1个月），III）在盐水中浸泡24小时，IV）在乙醇中浸泡24小时。

B）在37℃的含脂肪酶的水中残留的质量和3D打印电子设备的SEM图像。

原文链接
https://doi.org/10.1002/adfm.202009799

相关进展
中科院福建物构所吴立新研究员、翁子骧高级工程师AFM：3D打印高性能柔性应变传感器

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