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鲍哲南教授团队研发出导电性能不受应变影响的可拉伸聚合物导电气凝时序器胶

发布时间:2019-07-31 02:27:12

鲍哲南教授团队研发出导电性能不受应变影响的可拉伸聚合物导电气凝时序器胶

最近几年来,可穿着电子装备感热水器统器械极大的增进了医学健康和机器人等领域的发展。其中,可拉伸导体的研究是推动可穿着电子装备这1领域进步的关键。通常来讲,有3种方法来制备可拉伸导体:第1种是应变工程,行将金属等材料图案化构成波浪形条带,使这些硬质材料可在被拉伸时伸长。第2种方法是将弹性基体和导电填料(如金属或碳基纳米材料等)相结合来制备复合材料。该方法虽然具有较好的普适性,但复合材料的电学性能通常会在应变条件下由于渗流通道被破坏而产生变化。第3种是通过共轭聚合物的份子工程或向共轭聚合物中加入添加剂构建可拉伸导体。该方法的优点是所得材料可以溶液加工,强度比无机材料低,并具有较高的伸长铁水包率;缺点是所得材料的电学性能照旧依赖于应变,且电学性能的变化1般不可逆或有较大滚轮轴承的滞后性。因此,可拉伸导体在不地柜同伸长率和应变速率下能够保持稳定的电学性能依然是1个挑战。

近期,斯坦福大学鲍哲南教授团队通过3维结构化法(3D structuring)取得了导电性能不受应变影响的可拉伸聚合物导电气凝胶,可在较宽范围的不同应变和应变速率下保热控制器持导电性能不变,即调光开关使经过约100次拉伸-紧缩循环仍能保持结构和性能稳定。与之前方法得到的可拉伸导体相比,这类3维结构化法制备的导电聚(3,4-乙撑2氧噻吩)(PEDOT)气凝胶,能承受拉伸应变和紧缩应变(总应变范围达80%)和较大范围的应变速率(2.5%/min至2,560%/min)且导电性不受影响。这类超轻的导电聚合物气凝胶,杨氏模量可以在10到300 kPa之间进行可钻铤控调理,还可制成几近任何形状和尺寸。这些性质使得此种材料具有良好的生物医学利用潜能。相干论文发表在Cell Press旗下材料学旗舰期刊Matter上。

PEDOT气凝胶3D形貌的X射线断层成像重建。图片来源:Matter

这类导电聚合物气凝胶的制备包括以下步骤(图1B):首先,在增塑共搀杂剂BIBSAT(2)的存在下,利用多价金属离子(包括Cu2+、Fe3+、Ca2+)引诱聚(3,4-乙撑2氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS,1)溶液凝胶化,其中BIBSAT可提升强夯机PEDOT:PSS的导电性能和拉伸性能。随后,凝胶经过冷冻干燥构成气凝胶。最后,在预先加入的交联剂N3-SADS(3)作用下气凝胶进行化学交联。化学交联可赋予气凝胶机械稳定性,有效的避免气凝胶在湿气或水环境中解体。所得的PEDOT多孔网络结构非常轻,可用“轻如鸿毛”来形容(图1C),究其缘由是其空气含量很糖果机高(>97%),可归类为气凝胶,还可被制成不同大小的各种形状(图1D)。通过控制PEDOT溶液的浓度和冷冻进程,可以制备不同孔径和密度的PEDOT气凝胶。通直线光轴过控制冰的结果树机械晶速度,可以将孔径调剂在大约40到100微米之间(图1F-G);引入乙腈作为共溶剂来抑制冰结晶,可以进1步减小孔的山寨手机尺寸(图1H-I)。另外,这类PEDOT气凝胶便可被拉伸也可被紧缩(图1K-L)。

图1.PEDOT气凝胶的制备、形貌和应变耐受性能。图片来源:Matter

所得PEDOT气凝胶的电导率在0.67到1.84 S/cm之间,与孔大小有关。密度校订后,气凝胶的校订电导率在56.1±9.8到77.4±4.0 S/cm之间,小孔(SP,孔径5.3±1.7μm)气凝胶的校订电导率最高,高于大孔(LP,孔径98±41μm)和中孔(MP,孔径52±22μm)气凝胶。3维结构和PEDOT的高延展性赋陈列柜予了PEDOT气凝胶可紧缩性与可拉伸性,并且在紧缩或拉伸时,气凝胶的刚度随着孔径减小而增加。PEDOT气凝胶的杨氏模量也与孔径有关,通过改变密度气凝胶的杨氏模量可从约10 kPa到大于300 kPa之间调剂,远低于延展性PEDOT苇板机薄膜的约50 MPa。另外,从约10 kPa到300 kPa这个刚度范围,与各种生物系统(如大脑或皮电子衡器肤)相近,这说明这类导电PEDOT气凝胶有潜力用于构建人与电子装备的接口。

图2.PEDOT气凝胶力学性能。图片来源:Matter

PEDOT气凝胶的归1化电阻对应变的响应情况与应力/应变行动密切相干,并且不同孔径的气凝胶的恒定电阻应变范围(strain-invariant resistan装配工具ce,SIR)不同(图3A-B)。大孔气凝胶的SIR范围为[⑷0%,+40%](其中“-”表示紧缩“+”表示拉伸)(图3A),中孔气凝胶的SIR范围则为[⑷0%,+10%](图3B)。值得1提的是,不管孔径大小PEDOT气凝胶在SIR范围内循环紧缩拉伸时,其导电性能对应变速率(2.5%/min至2.560%/min)也不敏感(图3C)。这是由于紧缩和拉伸只会致使气凝胶中PEDOT薄片的曲折和改变,应变速率对3维网格整体的电学性能影响很小切纸刀片。另外,气凝胶在重复拉伸鱼饲料-紧缩循环下表现出优良的稳定性(图3D)。大孔气凝胶以160%/min的应变速率在全SIR范围内[⑷0%,+40%]进行拉伸-紧缩循环100次后,电阻仍保持不变;将应变范围下降到[⑷0%,+20%]时,即便在循环1400次后大孔气凝胶的电阻仍能保持恒定(图3D)。

图3.PEDOT气凝胶的应变-电性能。图片来源:Matter

这类PEDOT气凝胶的各种性质使其有望用于生物医学领域。作内圆磨床为概念验证,研究者将这类PEDOT气凝胶薄膜作为干电极,用于心电图(ECG)丈量。商用ECG电极制粒机在电极与皮肤接触处常常会使用离子导电凝胶,这类凝胶会随着时间的推移而变干并可能刺激皮肤。金电极能够解决皮肤刺激的问题,但其本钱高,而且对人体运动比较敏感从而致使检测信号逐步变弱。而这类PEDOT气凝胶干电极具有高孔隙率,干燥且透气,不刺激皮肤,而且可拉伸性和柔性使其本事受人体的运动。基于PEDOT气凝胶干电极测得的ECG打胶机信号可看到清晰的特点R和T峰(图4C);而相比之下,金电极只能看到特点R峰(图4D)。

图4.PEDOT气凝胶用作ECG电极。图片来源:Matter

总结

鲍哲南教授团队通过3D结构化法制备的超轻导电聚合物气凝胶的电性能可以在很大范围不受应变和应变速率的影响,并表现出优良拉伸-紧缩循环稳定性,较之前弓型卸扣导航仪器的方法有明显的进步。而且,导电聚合物气凝胶的性质还可以通过控制孔结构和PEDOT本身的延展性来调理。另外,这类超轻导电聚合物气凝胶可容易地制备成不同大小的各种形状,性能稳定,在水环境中也能保持很高的机械和电学稳定性,为制备应变不敏感的电子器Y滤网件提供了新的可能。

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