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王雙飛院士團隊 Adv. Mater.:一種摩擦電生物塑料
2024-01-09  來源:高分子科技

  近日,王雙飛院士團隊利用巰基硅烷反應以及動態共價化學中醇-醚交換反應的化學選擇性和位點特異性,制備了一種高韌性、可降解的單片集成式摩擦電生物塑料。通過共價鍵適應界面相互作用的方式耗散應力,使得聚合物介電層與導電層具有良好的界面黏附(220.55 kPa)。同時,高能的共價鍵使摩擦電生物塑料具備出色的拉伸強度(87.4 MPa)與斷裂韌性(33.3 MJ m-3)。即使在受到自身重量10000倍的拉力,仍能保持穩定的摩擦電輸出,無明顯裂紋產生。該項成果以題為“A Tough Monolithic Integrated Triboelectric Bioplastic Enabled by Dynamic Covalent Chemistry”發表在最新一期國際學術期刊Advanced MaterialsIF=29.4上。2021級碩士研究生邵宇正為第一作者,聶雙喜教授為通訊作者。



  電子廢棄物對全球環境和人類健康的威脅日益嚴峻,引起了特別關注。可持續和可降解材料合成的摩擦電設備是一種有前途的電子替代品,但在實際應用中仍未解決聚合物基材與電極的界面機械失配問題。自供電可穿戴設備中的柔性摩擦電材料,在面臨反復彎曲、折疊的強剪切力作用時。用于摩擦起電的聚合物介電層與傳輸感應電荷導電層間的弱粘合性,易發生局部剝離與裂紋擴展等問題。機械不匹配的弱粘合界面,將嚴重影響柔性摩擦電材料的電子傳輸效率,導致傳感器件的失效。在此背景下,深入研究綠色電子產品中柔性聚合物基材和剛性導電涂層的界面粘合效果,這對于柔性自供電傳感器在復雜環境下實現穩定、高靈敏的電子傳輸至關重要。


  這種聚合物基材與導電層界面互鎖的單片集成式摩擦電生物塑料,其制備過程主要涉及聚合物表面微結構構筑以及兩個化學反應過程,包括:聚合物表面巰基硅烷化和硫醇-二硫醚交換反應。表面微結構構筑是將再生纖維素(RC)置于定制的具有微光柵結構的模具中,通過熱壓脫水制成。聚合物表面巰基硅烷化是通過(3-巰基丙基)三甲氧基硅烷(MPTMS)向具有表面微結構的RC進行化學接枝,得到巰基硅烷化的再生纖維素(RC-MPTMS)。為了完成硫醇-二硫鍵的交換反應,首先將牛血清白蛋白(BSA)和碳納米管(CNT)復合得到雜化的導電油墨(BSA/CNT)。然后將其涂覆在RC-MPTMS表面。最后脫水干燥完成硫醇-二硫鍵的共價交換反應。 



  圖2對摩擦電生物塑料合成過程中聚合物表面的巰基硅烷化,導電油墨的雜化以及涂覆時RC-MPTMSBSA/CNT共價交換反應進行了表征與分析。RC-MPTMSBSA/CNT界面間硫醇-二硫鍵的交換反應是利用了MPTMS中硫醇易于產生反應性硫中心陽離子、陰離子或自由基中間體,以及BSA中兩個Cys間易于氧化形成二硫鍵的特性。涂覆過程使BSA/CNT中原二硫鍵體系引入了RC-MPTMS表面的硫醇,硫醇中親核硫代酸酯攻擊BSA/CNT中原二硫鍵體系,并在RC-MPTMSBSA/CNT界面間形成新的二硫鍵體系,促使聚合物基材與導電層界面結合。 



  圖3展示了單片集成式摩擦電生物塑料的良好的拉伸性能、斷裂韌性、抗裂紋性,以及聚合物基材與導電層的優異界面黏附性能。高力學性能源于界面多種相互作用的共同結果。表面微觀結構為化學鍵提供了更多的活性作用位點。動態二硫化物鍵起主要作用,承擔和耗散大部分由加載和拉伸產生的應力。豐富的氫鍵則作為犧牲鍵,通過斷裂和重組以耗散能量和抵抗殘余應力。 



  這種單片集成式的摩擦電生物塑料具有優異的化學耐受性、界面水穩定性和降解性能,這為綠色電子產品在復雜環境下的應用奠定了基礎。摩擦電生物塑料在水和常見的化學有機溶劑中浸泡很長時間后(60天),依然可以保持其形狀上的穩定,且質量基本保持不變(98.7%)。同時,該生物塑料可在45天內自然降解,不會對環境造成額外負擔。 



  圖5展示了單片集成式摩擦電生物塑料基摩擦電傳感器的組成和應用。面積僅為4 cm2的摩擦電生物塑料可以實現130 V的電壓輸出,并能成功點亮100LED燈。即使經過長時間和不同頻率循環測試后,摩擦電響應性能依舊不變,并展現出快速的響應和恢復速度,響應與恢復時間都為52 ms。通過傳感器可以精準的監測手指彎曲狀態。最后利用藍牙將數字信號無線傳輸到手機應用程序,可以實現實時的移動終端無線監測。 



  在這項工作中,通過動態共價反應誘導界面互鎖的方式制備了一種具有優異力學性能,耐裂性和生物降解性的單片集成式摩擦電生物塑料,并基于此材料開發了一種柔性可穿戴自供電傳感器件。本研究為開發堅固、耐用、界面穩定的摩擦電生物塑料的設計提供了理想的平臺,并將有利于其在可穿戴產品領域的進一步應用。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202311993

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(責任編輯:xu)
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