2016年11月11日 星期五 09:15:33
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东华大学研发出可回收、可降解的高韧性可穿戴电子器件

发表时间:2021/1/11

随着技术的不断发展,可穿戴电子产品已经成为日常生活的重要部分,但其快速发展也产生了大量的电子垃圾。目前,聚己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)等一些可降解聚合物被引入到电子器件中,但普遍存在高模量、低弹性的缺点,一些可降解的热固性弹性体难以加工和回收,因此,开发弹性强、模量合适、加工性能好、可循环、可降解的新型电子材料成为重要课题。



东华大学游正伟教授团队设计并制备了一种基于狄尔斯-阿尔德反应(简称DA反应)的新型动态共价交联的电学弹性体PBSF-FA-BMI(PFB),该弹性体具有良好的稳定性、弹性、可加工性、可回收性和可降解性。

基于DA反应较高的特异性,制备的PFB具有很好的热塑性,且易于通过3D打印加工成电子器件。而且,随着PFB中酶降解键的引入,这些电子产品在使用后可以降解。通过在弹性体PFB中引入纳米级填料,可制备导电可回收复合材料(PFBC)。


PFB弹性体的设计与性质


PFBC在循环拉伸过程中表现出良好的导电稳定性。当拉伸100%时,其电阻只有很小的变化。因此,有望用于动态机械环境中的电子应用。而且,PFBC在回收过程中保持了机械性能和导电性的稳定,回收的PFBC具有良好的电导率和延伸率,3次回收后,PFBC的韧性保持在10.1 MJ/m3


导电PFBC的性质


将PFBC作为摩擦层,通过3D打印制作了摩擦电纳米发生器。当外力使PFBC和PDMS薄膜之间发生物理接触时,摩擦层的周期性接触和分离产生了一个外部电路中的交流输出信号,在3Hz的频率下,具有超过3000次的稳定性能。

通过3D打印,制备了由两个电极层(PFBC)和一个隔离层(PFB)组成的电容式压力传感器。该压力传感器的电容变化和变形实时完全匹配,显示了优异的机械和电气稳定性,可保持敏感响应连续1000个周期。

通过3D打印制备了一个可伸缩、便携、轻薄的数字键盘,用于可穿戴用户输入界面。PFB作为可拉伸基板,微电路使用PFBC打印。结果证明,该键盘可以覆盖复杂曲面(如前臂),能在任何方向延伸和承受任意复杂的变形,在可穿戴电子产品方面的应用前景广泛。


基于回收的PFBC的3D打印的电子器件


以四种不同的3D打印的压力传感器为代表,测试其在不同环境条件下的耐受性,结果表明电子器件在高温(100℃,1 h),高湿度(>60%,1个月),盐水(24h),乙醇(24h)条件下的电信号基本保持一致。


3D打印电学器件的电学稳定性和可降解性


这项工作为定制可穿戴电子产品提供了一种新方法,同时实现了包括弹性、导电性、稳定性、可加工性、可回收性和可降解性等多方面性能的优化,为下一代可穿戴电子产品的开发提供了灵感。


论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202009799