顆粒在線訊：能回收的柔性電子設備才夠理想

柔性電子設備以其優(yōu)越的機械和電氣性能，近年來受到了廣泛關注。但大量生產(chǎn)和應用的同時也帶來了回收難題，特別是這類設備使用壽命短，多采用熱固性材料制造，使得回收難上加難。動態(tài)交聯(lián)聚合物材料給柔性電子設備的回收帶來了一絲曙光，如基于Diels-Alder（DA）反應的體系，但處理溫度過高、時間太長，難免破壞其中的電子設備而降低了回收價值。

成果介紹

東華大學游正偉教授團隊基于2,5-呋喃二甲醇和雙馬來酰亞胺的DA反應，開發(fā)了一種室溫下就能完全回收的動態(tài)雜化交聯(lián)聚氨酯彈性體FPU，在120℃下加熱5分鐘，就能輕松溶于氯仿中，不僅能回收電子設備，F(xiàn)PU還能重復使用。利用含有的大量二硫鍵和氫鍵，F(xiàn)PU在室溫下120秒內就能實現(xiàn)自愈合。通過3D打印技術，他們還制造了三種基于FPU的柔性電子器件，表現(xiàn)出廣闊的應用前景。這是首個熱固性彈性體，無需化學處理，實現(xiàn)了室溫下的回收。

不僅能回收，還能自愈合

圖1. 含呋喃基團混合交聯(lián)彈性體FPU的設計。

為了設計室溫可回收的彈性體，研究者選擇了2,5-呋喃二甲醇和雙馬來酰亞胺為原料，通過DA反應實現(xiàn)動態(tài)交聯(lián)（圖1a）。除此之外，還利用可逆二硫鍵和氫鍵實現(xiàn)了材料的室溫自愈合（圖1b），作為一種動態(tài)交換共價鍵，二硫鍵能夠自修復柔性電子設備的物理損傷，延長使用壽命，降低維護成本，這也有利于FPU的回收。

120秒修復劃痕

圖2. FPU的自愈合和力學性能。

由于結構中密布二硫鍵和氫鍵，研究者發(fā)現(xiàn)FPU在室溫下120秒內就能實現(xiàn)自愈合（圖2a）。室溫下自愈合6小時，F(xiàn)PU可以恢復50%以上的抗拉強度，60℃下自愈合6小時則能恢復80%，其中二硫鍵和氫鍵功不可沒（圖2b，c）。即使回收3次，F(xiàn)PU的模量、抗拉強度和最大伸長率等力學性能的變化也不顯著（圖2d）。

研究者還通過循環(huán)拉伸試驗評估了FPU的彈性。在逐漸增加應變的循環(huán)拉伸試驗中（圖2e），低應變時（<100%），大部分共價網(wǎng)絡保持完好；較大應變時（≥200%），由于拉伸過程中氫鍵和二硫鍵的重新組合，F(xiàn)PU表現(xiàn)出明顯的殘余應變，滯后曲線表明FPU成功耗散了能量。

隨后，他們以100%的重復應變（圖2f）進行循環(huán)拉伸試驗，由于試驗連續(xù)進行，F(xiàn)PU根本沒有時間恢復斷裂的氫鍵和二硫鍵，每個循環(huán)后滯后曲線都有所降低。如果在室溫下“休息”5分鐘，對FPU進行第11次循環(huán)拉伸，則應力-應變曲線與第一次循環(huán)幾乎重疊，變形出完美的自修復性。

加熱5分鐘輕松回收電子元件

圖3. FPU可回收性研究。

在不加熱的情況下，F(xiàn)PU在室溫下氯仿中浸泡24小時后只能膨脹（圖3a的1-1）；而在120℃下加熱5分鐘后，F(xiàn)PU在室溫下10分鐘就能溶解在氯仿中（圖3a的1-2）。去除氯仿，回收的FPU很容易成膜（圖3b），薄膜在至少三個循環(huán)拉伸過程中表現(xiàn)出與原始FPU相似的拉伸性能（圖3c）?；厥者^程非常簡單且環(huán)保，不需要在高沸點溶劑中長時間加熱，也不需要添加其它物質，所以FPU中的電子元件能夠反復使用（圖3d）。

應用廣泛的FPU

圖4. FPU基柔性電子設備的制造。

研究者將FPU與多壁碳納米管、銀納米片和炭黑混合，制備出導電FPUC，利用3D打印技術制備了三種柔性電子設備：位置傳感器、柔性鍵盤和運動傳感器。

他們制造的位置傳感器由基材/隔離層（FPU）和電極層（FPUC）組成（圖4a-I），通過3D打印技術（圖4a-II），構建的梯度結構靈敏度高，能夠識別幾克的質量差異（圖4a-III），將不規(guī)則的物體放置其上（圖4a-IV），可有效識別不同位置的載荷分布（圖4a-V）。

隨后，他們利用TPU制造了一個柔性鍵盤（圖4b），F(xiàn)PU出色的彈性使其能夠在所有方向上拉伸，任意變形，并能貼合人手（圖4b-II）。

最后，他們利用FPU在其兩個邊緣的自愈合，還制造了一個圓柱形運動傳感器（圖4c I~III），可以有效監(jiān)測一定范圍內的彎曲變形（圖4c IV~V）。

小結

利用2,5-呋喃二甲醇和雙馬來酰亞胺的DA反應，研究者構建了一種室溫可回收的聚氨酯彈性體FPU，120℃下加熱5分鐘就能溶解在氯仿中實現(xiàn)回收。配合密布的二硫鍵和氫鍵，F(xiàn)PU還能實現(xiàn)自愈合：室溫和60℃下加熱6小時，F(xiàn)PU的抗拉強度可以恢復50%和80%；循環(huán)拉伸10次后，室溫下松弛5分鐘，應力-應變過程與第一次幾乎完全相同。他們通過3D打印技術展示了FPU在柔性電子設備制造領域的廣泛適用性。