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    學術聚焦
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    化工學院武玉民教授、高傳慧教授課題組在自愈型有機硅導電彈性體與應變傳感器方面取得新進展

    作者:劉月濤 審核:劉福勝 張巖 來源:化工學院 編輯:秦洪慶   點擊: 日期:2022-03-29

    近年來,應變傳感器的研究取得了很大進展,極大地推動了軟體機器人、人機交互、運動監控等領域的發展。為了提高傳感器的穩定性,減少潛在的安全隱患,基于動態交聯超分子網絡的自愈型有機硅導電彈性體應運而生。

    近期,化工學院劉月濤副教授在綜合性能優異的自愈型有機硅導電彈性體及應用方面取得一系列新進展。借鑒貽貝足絲結構中多種相互作用(金屬離子鄰苯二酚配位鍵作為硬域,而氫鍵、二硫鍵作為軟域)協同增強、增韌的手段,成功設計開發出機械性能由硬域和軟域協同控制的PDMS/AgNPs自愈型導電彈性體,具有室溫下良好的自修復能力(91.2%)、優異的抗菌性以及應變傳感性能,本工作可為應變傳感器的設計提供靈感,并在醫療設備、運動監測等領域具有潛在的應用價值。該工作以“Mussel-inspired self-healing PDMS/AgNPs conductive elastomer with tunable mechanical properties and efficient antibacterial performances for wearable sensor”為題發表于期刊《Composites Part B》(Composites Part B: Engineering, 2021, 224:109213.IF=9.078,中科院一區TOP期刊)上。

    圖1(a)以貽貝為靈感設計的聚合物網絡結構;(b)拉伸過程示意圖

    圖2 SS0.4-PDMS-DH0.6-Ag10用于監測關節運動:手指彎曲(a)45°,(b)90°;腕關節彎曲(a)45°,(b)90°

    復合導電材料的制備往往需要引入導電納米顆粒,但其在聚合物基體中分散不均的問題制約材料性能提升及應用拓展。鑒于此,利用富含酰胺鍵的小分子改性二維導電填料MXene進,并將其引入自修復有機硅雙交聯網絡,制備具有良好導電性能的有機硅彈性體。改性后的MXene與有機硅網絡形成氫鍵從而達到均一分散。彈性體不僅可在室溫下通過多重氫鍵和動態二硫鍵的相互作用修復損傷,恢復機械性能,而且能準確地監測人體肌肉的運動。該工作以“Tough, stretchable and self-healing C-MXenes/PDMS conductive composites as sensitive strain sensors”為題發表于期刊《Composites Science and Technology》(Composites Science and Technology, 2021, 216:109042. IF=8.528,中科院一區TOP期刊)上。

    圖3 C-MXenes/PDMS彈性體的制備流程

    圖4自愈前(a)和自愈后(b)10wt%C-MXenes/PDMS-2檢測吞咽動作產生的實時電流變化

    此外,創新性地利用含硫五元環的開環聚合(ROP)賦予有機硅超分子和MXene末端羧基結構,通過金屬離子和氫鍵作用進行交聯,使MXene巧妙地嵌入有機硅超分子中,從而制備具有良好導電性和優異傳感能力的有機硅彈性體,體系中由于同時存在氫鍵和金屬-配體鍵的可逆相互作用,材料可在無外界刺激的情況下自主修復,效率高達91.7%,在運動監控、軟機器人等領域具有很大的應用價值。該工作以“Modified MXene-Doped Conductive Organosilicon Elastomer with High-Stretchable, Toughness, and Self-Healable for Strain Sensors”為題發表于期刊《Composite Structures》(Composite Structures, 2022, 282:115071. IF= 5.407,中科院一區TOP期刊)上。

    圖5 PDMS@MXenes導電彈性體的制備流程

    圖6(a)不同改性MXene含量的PDMS@MXene的導電性;(b)具有不同改性MXene含量的PDMS@MXene的相對電阻隨應變的變化

    以上相關工作,均以青島科技大學為第一單位,化工學院劉月濤副教授作為通訊作者,碩士研究生王哲為第一作者。以上工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學基金、山東省高等學?!扒鄤摽萍加媱潯币约疤胤N功能聚集體材料教育部重點實驗室的資助。

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