东华大学游正伟AFM：首个！室温下可回收的热固性聚氨酯弹性体，120s自愈合、5分钟实现回收！

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2021-09-20 09:00

正文

能回收的柔性电子设备才够理想

柔性电子设备以其优越的机械和电气性能，近年来受到了广泛关注。但大量生产和应用的同时也带来了回收难题，特别是这类设备使用寿命短，多采用热固性材料制造，使得回收难上加难。

动态交联聚合物材料给柔性电子设备的回收带来了一丝曙光，如基于Diels-Alder（DA）反应的体系，但处理温度过高、时间太长，难免破坏其中的电子设备而降低了回收价值。

成果介绍

东华大学游正伟教授团队基于2,5-呋喃二甲醇和双马来酰亚胺的DA反应，开发了一种室温下就能完全回收的动态杂化交联聚氨酯弹性体FPU，在120℃下加热5分钟，就能轻松溶于氯仿中，不仅能回收电子设备，FPU还能重复使用。利用含有的大量二硫键和氢键，FPU在室温下120秒内就能实现自愈合。通过3D打印技术，他们还制造了三种基于FPU的柔性电子器件，表现出广阔的应用前景。这是首个热固性弹性体，无需化学处理，实现了室温下的回收。

不仅能回收，还能自愈合

图1. 含呋喃基团混合交联弹性体FPU的设计。

为了设计室温可回收的弹性体，研究者选择了2,5-呋喃二甲醇和双马来酰亚胺为原料，通过DA反应实现动态交联（图1a）。除此之外，还利用可逆二硫键和氢键实现了材料的室温自愈合（图1b），作为一种动态交换共价键，二硫键能够自修复柔性电子设备的物理损伤，延长使用寿命，降低维护成本，这也有利于FPU的回收。

120秒修复划痕

图2. FPU的自愈合和力学性能。

由于结构中密布二硫键和氢键，研究者发现FPU在室温下120秒内就能实现自愈合（图2a）。室温下自愈合6小时，FPU可以恢复50%以上的抗拉强度，60℃下自愈合6小时则能恢复80%，其中二硫键和氢键功不可没（图2b，c）。即使回收3次，FPU的模量、抗拉强度和最大伸长率等力学性能的变化也不显著（图2d）。

研究者还通过循环拉伸试验评估了FPU的弹性。在逐渐增加应变的循环拉伸试验中（图2e），低应变时（<100%），大部分共价网络保持完好；较大应变时（≥200%），由于拉伸过程中氢键和二硫键的重新组合，FPU表现出明显的残余应变，滞后曲线表明FPU成功耗散了能量。

随后，他们以100%的重复应变（图2f）进行循环拉伸试验，由于试验连续进行，FPU根本没有时间恢复断裂的氢键和二硫键，每个循环后滞后曲线都有所降低。如果在室温下“休息”5分钟，对FPU进行第11次循环拉伸，则应力-应变曲线与第一次循环几乎重叠，变形出完美的自修复性。

加热5分钟轻松回收电子元件

图3. FPU可回收性研究。

在不加热的情况下，FPU在室温下氯仿中浸泡24小时后只能膨胀（图3a的1-1）；而在120℃下加热5分钟后，FPU在室温下10分钟就能溶解在氯仿中（图3a的1-2）。去除氯仿，回收的FPU很容易成膜（图3b），薄膜在至少三个循环拉伸过程中表现出与原始FPU相似的拉伸性能（图3c）。回收过程非常简单且环保，不需要在高沸点溶剂中长时间加热，也不需要添加其它物质，所以FPU中的电子元件能够反复使用（图3d）。

应用广泛的FPU

图4. FPU基柔性电子设备的制造。

研究者将FPU与多壁碳纳米管、银纳米片和炭黑混合，制备出导电FPUC，利用3D打印技术制备了三种柔性电子设备：位置传感器、柔性键盘和运动传感器。

他们制造的位置传感器由基材/隔离层（FPU）和电极层（FPUC）组成（图4a-I），通过3D打印技术（图4a-II），构建的梯度结构灵敏度高，能够识别几克的质量差异（图4a-III），将不规则的物体放置其上（图4a-IV），可有效识别不同位置的载荷分布（图4a-V）。

随后，他们利用TPU制造了一个柔性键盘（图4b），FPU出色的弹性使其能够在所有方向上拉伸，任意变形，并能贴合人手（图4b-II）。

最后，他们利用FPU在其两个边缘的自愈合，还制造了一个圆柱形运动传感器（图4c I~III），可以有效监测一定范围内的弯曲变形（图4c IV~V）。

小结

利用2,5-呋喃二甲醇和双马来酰亚胺的DA反应，研究者构建了一种室温可回收的聚氨酯弹性体FPU，120℃下加热5分钟就能溶解在氯仿中实现回收。配合密布的二硫键和氢键，FPU还能实现自愈合：室温和60℃下加热6小时，FPU的抗拉强度可以恢复50%和80%；循环拉伸10次后，室温下松弛5分钟，应力-应变过程与第一次几乎完全相同。他们通过3D打印技术展示了FPU在柔性电子设备制造领域的广泛适用性。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202106281

来源：高分子科学前沿

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