將導(dǎo)電填料和彈性聚合物材料相結(jié)合是開(kāi)發(fā)柔性導(dǎo)體材料的重要途徑之一。為獲得良好的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能（如延展性和機(jī)械穩(wěn)定性），通常需要將高含量的導(dǎo)電填料均勻分散于共價(jià)交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)中。因此，這類(lèi)導(dǎo)電復(fù)合材料難以降解，導(dǎo)電填料的回收也極其困難，引起電子垃圾的增加以及環(huán)境污染問(wèn)題。
近日，深圳大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院周學(xué)昌教授課題組報(bào)道了一種制備高拉伸、可降解、可回收的高導(dǎo)電液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料的簡(jiǎn)便方法。以室溫液態(tài)金屬納米液滴交聯(lián)的水凝膠為聚合物基質(zhì)，液態(tài)金屬微米液滴或者銀微米片為導(dǎo)電填料，獲得復(fù)合凝膠，再經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的干燥脫水處理，制備機(jī)械性能優(yōu)異的導(dǎo)電復(fù)合材料。此外，由于以液態(tài)金屬納米液滴為交聯(lián)點(diǎn)，該復(fù)合材料能夠溶解于堿性水溶液中，而其中的導(dǎo)電填料也可回收利用。相關(guān)研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater.（2024, 2308032,https://doi.org/10.1002/adfm.202308032）期刊上，其中2021級(jí)碩士研究生鐘定玲為論文第一作者，甘田生博士和周學(xué)昌教授為共同通訊作者。
復(fù)合水凝膠和脫水復(fù)合材料的制備與表征
液態(tài)金屬納米液滴與引發(fā)劑過(guò)硫酸銨（APS）協(xié)同引發(fā)單體2-羥乙基丙烯酸酯（HEA）的聚合，實(shí)現(xiàn)在2 min內(nèi)快速凝膠化，形成聚合物液態(tài)金屬?gòu)?fù)合水凝膠（圖1a-d）。其中，液態(tài)金屬納米液滴通過(guò)表面的氧化物與聚合物鏈形成氫鍵，能夠作為一種物理交聯(lián)點(diǎn)增強(qiáng)凝膠的機(jī)械性能（圖1e）。經(jīng)過(guò)干燥處理后，復(fù)合材料的機(jī)械性能大幅增強(qiáng)，彈性模量和斷裂應(yīng)變從最初的12.7 kPa和340%分別提高到388 kPa和913%（圖1f-g）。
圖1. （a-d）復(fù)合水凝膠和脫水復(fù)合材料的制備；（e-g）力學(xué)性能表征。
導(dǎo)電復(fù)合材料的制備與表征
將銀微米片作為導(dǎo)電填料引入液態(tài)金屬納米液滴交聯(lián)的水凝膠中，再對(duì)所得的復(fù)合水凝膠進(jìn)行脫水處理，即可制得高拉伸性和高導(dǎo)電的復(fù)合材料。脫水過(guò)程能夠提升該復(fù)合材料的機(jī)械性能，而且，由于脫水引起的體積收縮，復(fù)合材料內(nèi)部的銀微米片會(huì)被擠壓而相互聯(lián)通，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（圖2a-d）。該復(fù)合材料的最大拉伸率可達(dá)到1400%，而電導(dǎo)率可達(dá)到1800 S/cm。這種復(fù)合材料可作為應(yīng)變傳感器監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)。
以液態(tài)金屬微米液滴為導(dǎo)電填料制備的復(fù)合材料，具有各向異性的雙層結(jié)構(gòu)，其中一層富含液態(tài)金屬微米液滴，而另一層則主要由液態(tài)金屬納米液滴交聯(lián)的聚合物基質(zhì)所構(gòu)成（圖2e-g）。液態(tài)金屬微米液滴的加入，提升了復(fù)合材料的拉伸性能。在微米液滴富集層一側(cè)施加一定的作用力，可使液滴破壞，液滴內(nèi)部的液態(tài)金屬流出，形成導(dǎo)電路徑。基于這一特征，可在該復(fù)合材料表面書(shū)寫(xiě)導(dǎo)電線路，與其他電子元件結(jié)合，構(gòu)建柔性電路。
圖2.（a-d）以銀微米片為導(dǎo)電填料的復(fù)合材料的制備與應(yīng)用；
（e-h）以液態(tài)金屬微米液滴為導(dǎo)電填料的復(fù)合材料的制備與應(yīng)用。
復(fù)合材料材料的降解以及導(dǎo)電填料的回收
由于液態(tài)金屬納米液滴作為物理交聯(lián)點(diǎn)，當(dāng)將復(fù)合材料浸沒(méi)于氫氧化鈉（NaOH）水溶液中，液態(tài)金屬納米液滴的氧化層會(huì)與NaOH反應(yīng)，破壞了納米液滴與聚合物鏈間的氫鍵，從而破壞該復(fù)合材料的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。因此，這些復(fù)合材料可以在NaOH水溶液中完全溶解（圖3）。而且，其中的導(dǎo)電填料可以分離出來(lái)，并且回收利用。液態(tài)金屬和銀微米片的回收率可分別達(dá)到79%和95%。
圖3. （a-b）脫水復(fù)合材料的降解；（c-d）導(dǎo)電填料的回收
該研究為開(kāi)發(fā)瞬態(tài)可回收柔性電子材料提供了新的思路。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金以及深圳市基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目的資助。
論文信息：D. Zhong, S. Shi, X. Yang, S. Handschuh-Wang, Y. Zhang, T. Gan,* X. Zhou,* Highly Stretchable yet Degradable and Recyclable Conductive Composites with Liquid Metal Nanodroplets as Physical Crosslinks. Adv. Funct. Mater. 2024, 2308032.
https://doi.org/10.1002/adfm.202308032
（來(lái)源 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院）
