可拉伸柔性電子設備近年來得到了廣泛關注，目前大多數可拉伸導體由導電材料和橡膠組成，這些材料雖然具有高導電性，但是其固有的不透明性限制了大規模應用，而且由于導電材料在有機溶劑中容易溶解，不利于低成本、大批量的溶液化生産。離子導體爲解決這些問題提出了新的思路，但是離子導體的制備存在溶液毒性大、成本高等缺點，而且化學交聯的離子凝膠材料壽命短，不能實現破壞後的自我修複，因此，如果要大規模應用離子導體，需要具有在水中能有效溶解的綠色加工工藝，並在高分子之間引入可逆的物理交聯。
聚合物主鏈上的離子型側鏈賦予了離子導體高溶解度和可逆物理交聯，離子側鏈的靜電力可以産生強極性，在水中表現出高溶解度，從而實現水可加工性。就物理交聯而言，在溶劑蒸發之前，離子材料會通過與溶劑分子相互作用而充分溶解，在幹燥後彼此間産生強烈相互作用，從而形成物理交聯。與化學交聯不同，物理交聯可溶液保持穩定，從而在加工中具有出色的適用期（圖 1 a）。此外，物理交聯是可逆的，並且是自我修複機制的關鍵。
圖1 離子型側鏈作用示意圖
除了可逆特性外，與共混體系相比，離子側鏈還可以提高熱穩定性（圖1a ）。熱穩定性是在實際應用中抵抗外部環境（光照和氣候）熱量的重要性能。盡管溫度升高伴隨著溶劑蒸發和聚合物鏈的玻璃化轉變行爲，但像離子鹽這樣的小分子卻會發生聚集。這種相分離會導致有機凝膠的離子電導率和機械性能下降。
近日，新加坡南洋理工大學李佩詩課題組合成了一系列具有離子性側鏈的聚合物（PSPMA，P（SPMA 0.75 -r-MMA 0.25）和P（SPMA 0.50 -r-MMA 0.50）（圖1b）。這些聚合物由單體SPMA和MMA聚合而成。SPMA包含離子鏈，賦予聚合物離子導電性、水溶性和物理交聯性，MMA在聚合物組合物中控制其疏水性，與材料的力學性能（如楊氏模量和韌性）相關。此外，爲了防止水從凝膠中蒸發而引起材料變硬，作者使用了具有高沸點（290°C）、無毒、低成本和與離子鏈高度相容的甘油-水溶液。甘油在不蒸發的情況下可以起到增塑劑的作用，從而保持其在凝膠中的存在。在一系列聚合物凝膠中，P（SPMA0.75-r-MMA0.25）凝膠顯示出最佳的可拉伸性（伸長時斷裂強度爲266％）、離子導電性（6.7×10-4 S·cm -1）和自修複性能（3小時內修複效率爲98.3％），即使在100°C時仍顯示出高熱穩定性。作者展示了該材料在人工肌肉和熱傳感器領域的應用。這一研究爲今後可拉伸自修複導電材料提供了新的思路。
圖2 凝膠的流變性能
圖3 凝膠的機械性能
圖4 凝膠的自修複性能
圖5 凝膠的熱穩定性
圖6 凝膠在熱穩定制動器中的應用
圖7 透明、可變形和可自修複的熱傳感器
作者簡介：
Pooi See Lee教授于2001年在新加坡國立大學獲得博士學位，2001年至2003年她加入新加坡Chartered半導體制造有限公司（現爲Globalfoundries)的研發部門工作。在2001年，她獲得美國電化學學會頒發的諾曼黑客青年作家獎的榮譽。2004年1月，她加入新加坡南洋理工大學材料科學與工程學院擔任助理教授，于2009年晉升爲終身副教授。2015年9月，她晉升爲正教授。
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201906679
來源：高分子科學前沿
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