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水下也能自修复的热塑性弹性体助力柔性电子发展

2020-07-09 14:19:53

近年来,柔性电子器件飞速发展,它们被广泛用于医疗诊断、监测和柔性机器人等领域。然而,这种器件的不足之处在于,由于其柔软的性质,它们对机械损伤非常敏感。如果能够将自我修复功能引入到现有的柔性器件中,使其能够在受到外力破坏后自我恢复,将会大提高设备的寿命、可靠性和耐用性。

对于大多数柔性电子器件来讲,我们非常希望它能够防水或者在水下使用,因为器件在使用过程中,不可避免的会遇到各种湿度环境,例如人的汗水或者自然的雨水。除非材料对水不敏感,否则这些装置在遇到水后会发生结构破坏,进而影响相关功能。因此,我们需要开发一种可以用于真实柔性电子器件场景下的水下自修复材料。

水下也能自修复的热塑性弹性体助力柔性电子发展

在该领域的早期研究阶段,所有已报道的水下自修复材料主要有两种:

1)含有硼酸酯或硼氧辛键的硼酸衍生物;

2)天然形成的邻苯二酚基团。然而,它们都有局限性。硼酸衍生物会发生严重的水解,在水中非常不稳定。邻苯二酚基团对pH值非常敏感。最近,有很多研究者报道了具有水下自修复功能的弹性体,但都存在自修复效率较低、力学性能较差等不足,不能真正用于水下柔性电子器件。

因此,当前该领域的需求可以概括为:

1)开发高强度、可高效水下修复的材料;

2)深入研究将此类材料用于复杂的水下电子系统中。

基于这些问题,以色列理工学院Hossam Haick教授课题组研发了一种新型水下自修复热塑性弹性体。他们以端羟基聚丁二烯(HTPB)为原料,通过异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和4-氨基苯基二硫化物(APDS)两个主要反应合成了一种新的聚合物PBPUU,相关制备过程如图1所示。其中,HTPB部分提供了低温弹性和优异的耐水性,APDS组分提供了动态的二硫键和氢键。基于共价键(二硫键)和非共价键(氢键)的两种综合自愈机制的存在以及聚合物的高柔软性使其成为一种非常有效的自修复材料。

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