华南理工大学陈玉坤课题组在多功能热塑性有机硅弹性体...

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华南理工大学陈玉坤课题组在多功能热塑性有机硅弹性体研究上的新进展
柔性电子器件越来越受到科学界、工业界的关注。亲肤透气、优异生物相容性的聚硅氧烷具有应用于柔性电子器件中柔性基底的巨大潜力。但是，在聚硅氧烷热塑性弹性体的制备中仍存在机械性能（拉伸强度和拉伸韧性）和自修复性能难以兼顾的难题。

近年来，华南理工大学陈玉坤研究员先进弹性体课题组在多功能热塑性有机硅材料的设计与研究中做了许多努力。前期研究中，通过具有梯度Tg特征的相分离结构的设计，构筑了兼具形状记忆功能和自修复功能的热塑性有机硅材料（Journal of Materials Chemistry A, 2020,? 8(32):? 16376-16384），如图1所示。


图1. 以聚酰亚胺为连续相、聚硅氧烷为分散相的相分离结构（a），DSC表征相分离结构的梯度Tg特征（b），热塑性有机硅材料的形状记忆（c）和自修复（标尺：200μm）（d）


近期，针对聚硅氧烷热塑性弹性体机械性能（拉伸强度和拉伸韧性）和自修复性能难以兼顾的难题，基于金属配位键设计合成了一种强而韧、可修复的聚硅氧烷热塑性弹性体（PDMS-DAP@Fe-x），合成流程图如图2所示。


图2. 聚硅氧烷热塑性弹性体的合成流程图

金属配位键不仅起到交联的作用，而且在库仑力作用下聚集形成纳米离子簇，充当纳米填料而有效地补强超分子网络，实现优异的拉伸强度（2.81 MPa）；同时，在拉伸过程中，由于连续的断裂-重组有效地耗散应变能，材料具有极高的拉伸韧性（32 MJ/m3）和断裂伸长率（1475%），如图3所示。


图3.（a）PDMS-DAP@Fe-0（a1）、PDMS-DAP@Fe-1/5（a2）、PDMS-DAP@Fe-1/3（a3）和PDMS-DAP@ Fe-1（a4）的TEM照片，比例尺：100nm；（b）PDMS-DAP@Fe-0弹性体的应力-应变曲线；（c）PDMS-DAP@Fe-x弹性体的拉伸韧性和100％应变处的拉伸应力；（d）PDMS-DAP@Fe-1/3拉伸过程实物照片

分子间相互作用（氢键和配位键/离子簇）具有热可逆性。当断面接触后，高分子链段在断面扩散，分子间相互作用可在一定温度下断裂-重组，因此该弹性体具有自修复性。以PDMS-DAP@Fe-1/3为例，作者研究了其自修复性能，发现其在70 ?C下自修复24h时拉伸强度修复效果接近90%，达到2.5MPa，修复48h后几乎完全修复。


图4.（a）初始的和70 ?C下修复不同时间的PDMS-DAP@Fe-1/3弹性体的应力-应变曲线；（b）PDMS-DAP@Fe-1/3弹性体在70 ?C下修复不同时间的偏光显微镜：（b1）0 h，（b2）12h，（b3）24 h和（b4）48h，比例尺：200μm


由此，以制备的PDMS-DAP@Fe-1/3聚硅氧烷热塑性弹性体作为基底材料，利用弹性体的自修复功能和表面喷涂结合，探索了其在柔性电子器件中的应用，器件具有良好的力学-电性能自修复能力。

以上相关成果近日发表在ACS Applied Materials & Interface (DOI: 10.1021/acsami.0c15552)上。论文的第一作者为华南理工大学机械与汽车工程学院博士生范剑锋，通讯作者为陈玉坤研究员。