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    東南大學張久洋教授課團隊在高分子-液態金屬領域取得系列進展
    2020-06-17  來源:高分子科技

      液態金屬是一種具有室溫流動性的金屬,例如金屬鎵及其合金等。高分子與液態金屬的結合既可以具有液體金屬的流動性以及導熱、導電的特點,也能夠獲得高分子獨特的力學與加工性。當前液態金屬與高分子復合材料往往與高分子彈性材料(如硅橡膠)復合,以獲得可拉伸的電子柔性材料。然而,由于相容性原因,利用較高模量的熱固性或熱塑性高分子與液態金屬復合的工作還較為少見。相對于硅彈性體,通用高分子塑料(或樹脂)往往具有高模量、較高的耐熱性、耐候性以及塑性變形特點,具備廣泛的市場用途。利用液態金屬作為流動性填料加入此類通用高分子中可以獲得具有特殊力學響應下的電子功能高分子,可拓展液態金屬-高分子的研究范圍,建立獨特的力-電之間的關系,能夠進一步推動高分子-液態金屬復合材料的市場應用前景。


      東南大學張久洋教授團隊近年來發表了多篇高水平論文,探討了在高分子學科中引入流動性液態金屬填料來實現不同種類高分子材料功能性的工作(Adv. Funct. Mater. 2019, 201808989; Mater. Horiz. 2019, 6, 618-625; Mater. Horiz. 2020, DOI:10.1039/D0MH00280)。在上述工作基礎上,團隊進一步將液態金屬這一特殊流動性填料引入較高模量通用高分子材料(包括熱塑性材料、熱固性樹脂以及泡沫),拓展了液態金屬在高分子領域中應用范圍,獲得全新的高分子電子材料。


    1. 原位聚合-高響應液態金屬聚氨酯泡沫

    圖1. (a) 液態金屬泡沫制備流程;(b) 液態金屬泡沫的光學顯微鏡照片;(c) LM-Foam-40%在50%應變下的壓縮循環測試(1000個循環);(d) 不同液態金屬泡沫在壓縮應變下的電阻變化曲線;(e) 各種材料的壓縮應變和電導率圖;(f) 用于監視卡車運輸過程中的碰撞的裝置示意圖;(g) 模型卡車以0.79 m / s的速度碰撞時產生的電響應;(h) 卡車碰撞期間采集數據點的擬合曲線。


      導電泡沫是具有多孔結構的導電材料,隨著現代科學的發展,其關注度也越來越高。導電聚合物泡沫是具有低密度的柔性海綿,非常適合用于柔性電子產品,包括電子皮膚,傳感器和機器人等領域。用聚合物基體制造混合金屬泡沫既可以繼承金屬的優點,又可以繼承聚合物的機械柔韌性。在聚合物海綿上涂覆金屬是制造混合金屬泡沫最常用的方法。然而,將金屬直接涂覆在泡沫塑料上具有很大的挑戰性,合成方法通常復雜且昂貴,例如用于納米金屬的前體合成,電解和化學還原。


      團隊通過有效的原位聚合成功地制造了柔性和導電的LM涂層泡沫(LM-Foam)。聚合物的流動性和不相容性使得液體金屬在快速發泡過程中可以覆蓋在孔的表面上,從而提供了聚合物泡沫的導電性和彈性,并保留了多孔結構。得到的液態金屬泡沫具有優異的機械性能和電學靈敏性。如圖1a所示,異氰酸酯與聚醚多元醇和水反應生成聚氨酯網絡,反應過程中液態金屬被二氧化碳帶著往上走,并隨著高分子的聚合留在孔洞內壁。從圖1b可以清晰的看到其孔洞結構及液態金屬。由于具有多孔結構,LM-Foam顯示出低密度,出色的彈性和出色的機械穩定性。液態金屬泡沫具有高電導率(3.9×104 S/m),此外,LM-泡沫中的流體和導電填料可以與聚合物基體一起變形,從而在壓力下產生額外的電阻變化,從而提供了獨特的感應行為,如高響應靈敏度(響應率,GF> 25),較短的響應時間(202毫秒)和出色的電穩定性(800次電壓縮循環后穩定的電阻變化)。高分子孔洞的尺寸分布不均勻,導致LM泡沫表現出不同尋常的位置依賴性靈敏度,從而可以作為電氣保護泡沫。如圖1f所示,液態金屬泡沫可以用作安全速度警報器,通過不同速度產生的電信號來實時監控貨物可能受到的損害。


      該項工作發表于ACS Applied Materials & Interfaces, 課題組碩士生彭燕同學為第一作者,張久洋教授為通訊作者。


      論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.9b20652


    2. 熱塑性高分子-液態金屬復合材料

      進一步地,團隊將液態金屬與工程塑料復合制造了一種基于液態金屬-聚乙烯醇復合材料。該復合材料具有獨特的三明治結構,在兩個絕緣層之間具有導電的液態金屬復合材料。由于聚乙烯醇的羥基和液態金屬的氧化層之間存在氫鍵,因此液態金屬可以在聚乙烯醇高分子基質中均勻分散。此外,柔軟的液態金屬液滴顯著增強了聚乙烯醇塑料的韌性,其拉伸斷裂韌性提高了12.3倍(從6 MJ/m3提升至74 MJ/m3)。溶劑處理的液態金屬-聚乙烯醇復合薄膜顯示出優秀的機械耐久性(1000次拉伸和壓縮循環)。由于液態金屬顆粒賦予的獨特的電靈敏度和聚乙烯醇賦予的高機械耐用性,該材料可用于組裝電阻和電容傳感器,方便地用于檢測日常動作,例如拉伸,手指彎曲和自行車滾動。與常用的液態金屬-彈性體傳感器相比,液態金屬-聚乙烯醇復合材料具有出色的耐磨性和耐高溫性。這項工作首次將液態金屬引入工程塑料體系,突出了液態金屬-塑料在廣泛應用中的潛力,并可以促進其在工程領域或極端環境下應用于傳感設備。


    圖2.(a)LM-PVA制備過程。(b)通過彎曲表現LM-PVA的柔性。(c)LM-PVA薄膜截面的SEM圖。(d)LM-PVA與液態金屬-彈性體符合材料的機械性能對比。(e)LM-PVA用于檢測人體關節彎曲程度。(f)LM-PVA用于檢測自行車速度。


      該成果發表在Chemical Engineering Journal,課題組本科生樓洋同學為第一作者,張久洋教授為通訊作者。


      原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.125732


    3. 熱固性高分子-液態金屬樹脂復合材料

      樹脂材料是高分子中經典的且具有廣泛應用的高分子材料。本工作將液態金屬成功與環氧樹脂相結合,研究了樹脂基體強度,液態金屬形變和外部壓力之間的關系。研究表明,聚合物基體的能量耗散(Energy dissipation,ED)在控制液態金屬聚合物復合材料的電學行為方面起著決定性的作用。如圖1a和1b所示,與彈性聚合物基質不同,具有高能量耗散(High energy dissipated,HED)的聚合物基質在壓力和彎曲力的驅使下,材料表現出優異的導電性,此外其導電方向和導電性質可以由外力精確控制。在外部壓力或彎曲力的作用下,HED液態金屬聚合物復合材料沿著壓力方向表現出高導電性,但在垂直于壓力方向上保持良好的絕緣性。利用這一獨特的性質,該類復合材料可以成功應用于印刷以及折疊電路中。這項工作將當前彈性液態金屬聚合物復合材料的研究范圍擴展到了HED聚合物,更為有效的拓展了液態金屬聚合物復合材料的應用領域。


    圖3. 壓縮與彎曲誘導液態金屬環氧樹脂復合材料中LM形變的機理圖。在外力下,流體LM通過環氧樹脂基質的裂紋相互連接,并且沿外力的方向形成了導電通路。


      課題組的博士研究辛雨萌同學為該論文第一作者,張久洋教授為通訊作者。該研究工作發表于Advanced Materials Technologies.


      原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.202000018


      以上工作獲得了國家自然科學基金的支持(21774020,21504013)。

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    (責任編輯:xu)
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