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化工学院武玉民教授、高传慧教授课题组在自愈型有机硅导电弹性体与应变传感器方面取得新进展

作者:刘月涛 审核:刘福胜 张岩 来源:化工学院 编辑:秦洪庆   点击: 日期:2022-03-29

近年来,应变传感器的研究取得了很大进展,极大地推动了软体机器人、人机交互、运动监控等领域的发展。为了提高传感器的稳定性,减少潜在的安全隐患,基于动态交联超分子网络的自愈型有机硅导电弹性体应运而生。

近期,化工学院刘月涛副教授在综合性能优异的自愈型有机硅导电弹性体及应用方面取得一系列新进展。借鉴贻贝足丝结构中多种相互作用(金属离子邻苯二酚配位键作为硬域,而氢键、二硫键作为软域)协同增强、增韧的手段,成功设计开发出机械性能由硬域和软域协同控制的PDMS/AgNPs自愈型导电弹性体,具有室温下良好的自修复能力(91.2%)、优异的抗菌性以及应变传感性能,本工作可为应变传感器的设计提供灵感,并在医疗设备、运动监测等领域具有潜在的应用价值。该工作以“Mussel-inspired self-healing PDMS/AgNPs conductive elastomer with tunable mechanical properties and efficient antibacterial performances for wearable sensor”为题发表于期刊《Composites Part B》(Composites Part B: Engineering, 2021, 224:109213.IF=9.078,中科院一区TOP期刊)上。

图1(a)以贻贝为灵感设计的聚合物网络结构;(b)拉伸过程示意图

图2 SS0.4-PDMS-DH0.6-Ag10用于监测关节运动:手指弯曲(a)45°,(b)90°;腕关节弯曲(a)45°,(b)90°

复合导电材料的制备往往需要引入导电纳米颗粒,但其在聚合物基体中分散不均的问题制约材料性能提升及应用拓展。鉴于此,利用富含酰胺键的小分子改性二维导电填料MXene进,并将其引入自修复有机硅双交联网络,制备具有良好导电性能的有机硅弹性体。改性后的MXene与有机硅网络形成氢键从而达到均一分散。弹性体不仅可在室温下通过多重氢键和动态二硫键的相互作用修复损伤,恢复机械性能,而且能准确地监测人体肌肉的运动。该工作以“Tough, stretchable and self-healing C-MXenes/PDMS conductive composites as sensitive strain sensors”为题发表于期刊《Composites Science and Technology》(Composites Science and Technology, 2021, 216:109042. IF=8.528,中科院一区TOP期刊)上。

图3 C-MXenes/PDMS弹性体的制备流程

图4自愈前(a)和自愈后(b)10wt%C-MXenes/PDMS-2检测吞咽动作产生的实时电流变化

此外,创新性地利用含硫五元环的开环聚合(ROP)赋予有机硅超分子和MXene末端羧基结构,通过金属离子和氢键作用进行交联,使MXene巧妙地嵌入有机硅超分子中,从而制备具有良好导电性和优异传感能力的有机硅弹性体,体系中由于同时存在氢键和金属-配体键的可逆相互作用,材料可在无外界刺激的情况下自主修复,效率高达91.7%,在运动监控、软机器人等领域具有很大的应用价值。该工作以“Modified MXene-Doped Conductive Organosilicon Elastomer with High-Stretchable, Toughness, and Self-Healable for Strain Sensors”为题发表于期刊《Composite Structures》(Composite Structures, 2022, 282:115071. IF= 5.407,中科院一区TOP期刊)上。

图5 PDMS@MXenes导电弹性体的制备流程

图6(a)不同改性MXene含量的PDMS@MXene的导电性;(b)具有不同改性MXene含量的PDMS@MXene的相对电阻随应变的变化

以上相关工作,均以青岛科技大学为第一单位,化工学院刘月涛副教授作为通讯作者,硕士研究生王哲为第一作者。以上工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省高等学校“青创科技计划”以及特种功能聚集体材料教育部重点实验室的资助。

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