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四川大學金勇教授課題組《Adv. Funct. Mater.》:具有非對稱黏附功能的疏水結構凝膠實現在氣/液環境中的可靠機械傳感
2024-04-02  來源:高分子科技

  牢固的界面黏附是柔性電子器件輸出逼真信號的重要保證,尤其是在水下場景的應用中。然而傳統的自黏材料通常存在水下黏附失效、黏附力和內聚力之間的沖突、以及各向同性黏附和黏附劑殘留等諸多問題,這極大地限制了它們的實際應用。另外,強的黏附力通常要求黏附劑同時滿足三個原則,即最大化黏附劑與基材的接觸面積、黏附劑與基材的相互作用以及黏附劑內聚力。第一種情況要求聚合物鏈具有高動態性,使黏附劑能夠在基材表面易于流動和鋪展。第二種情況則通常要求特殊的表面處理,以實現牢固的界面粘合。而最后一種情況則需要充分的物理或化學交聯,使黏附劑在遭受外力時能維持聚合物網絡的穩定性和完整性。然而,這些因素往往相互制約,因此高機械強度和高黏附強度似乎非此即彼。


  為了同時滿足上述要求,近日,四川大學金勇教授團隊通過兩步堆疊法開發了一種具有非對稱黏附功能的疏水結構凝膠。帶有長脂肪鏈的疏水黏附層借助聚合物鏈的高流動性、多重界面相互作用以及對界面水合層的有效清除,實現了可靠的水下粘合(界面韌性超過 80 J m-2)。另一方面,由于靜電作用和離子偶極作用,含有疏水聚離子液體的疏水抗黏附層更加堅韌,確保了結構凝膠整體的機械性能(斷裂強度:625 kPa, 斷裂應變:1191%, 韌性:3.89 MJ m-3。這種非對稱異質結構也避免了由常見非必要黏附和黏附劑殘留引起的不良影響,便于了操作。 另外,基于該結構凝膠的機械傳感器也被用于人體運動監測和水下無線通訊,展現出了在柔性電子領域中的應用潛力。 


1. 疏水結構凝膠的制示意圖。


 圖2.疏水結構凝膠的物理性能和結構表征。


 圖3.疏水結構凝膠的機械性能和疏水性能。


 圖4.疏水結構凝膠的黏附性能。


 圖5.疏水結構凝膠的水下黏附機理。


 6.基于疏水結構凝膠的無線傳感系統用于水下通訊。


  該研究成果以題為Janus Hydrophobic Structural Gel with Asymmetric Adhesion in Air/Underwater for Reliable Mechanosensing 在《Advanced Functional Materials》上發表,第一作者為四川大學輕工科學與工程學院博士生周榮金勇教授為本論文的通訊作者。該項研究也得到了國家自然科學基金及四川省科技支撐計劃等項目的資助。


  此外, 該團隊近年來圍繞水凝膠、離子凝膠、聚氨酯等基材也開發了各種性能和多種特色功能的傳感材料(Chem. Eng. J. 2024, 482, 148994; Chem. Eng. J. 2023, 476, 146840; Adv. Funct. Mater. 2023, 2301921; Chem. Eng. J. 2023, 456, 141082; ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 35469-35482; ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 39120-39131; Nano Energy 2022, 104, 107962; Chem. Eng. J. 2022, 438, 135596; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 23916–23928)。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202316687

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