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東南大學(xué)張久洋教授課題組在硫聚合物-液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料方面取得進(jìn)展
2019-03-04  來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)

  液態(tài)金屬(Liquid metal, LM),如鎵,鎵鋅共晶合金和鎵銦共晶合金,在室溫下呈液態(tài)。由于液態(tài)金屬具有高導(dǎo)電性,良好的流動(dòng)性和低毒性等特點(diǎn),已成功應(yīng)用于微流體芯片,軟體機(jī)器人和柔性電子產(chǎn)品。雖然液態(tài)金屬的性質(zhì)已被廣泛研究,但其應(yīng)用仍受到一定的限制。例如,液態(tài)金屬與非金屬材料的不相容性,因此難以制備均勻的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料。此外,相容性的巨大差異使得制備具有納米級(jí)(~1 μm)液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料具有一定的挑戰(zhàn)性。在大多數(shù)液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料中,液態(tài)金屬尺寸通常超過(guò)20 μm。其次,液態(tài)金屬與聚合物的直接混合通常會(huì)形成介電材料而不是導(dǎo)電復(fù)合材料。此外,可回收性和可加工性對(duì)于擴(kuò)大液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料的應(yīng)用也是至關(guān)重要的。到目前為止,常用的液態(tài)金屬?gòu)?fù)合材料加工方法是將液態(tài)金屬嵌入或注入不可加工的交聯(lián)聚合物橡膠(彈性體)中,顯著降低其可加工性和可回收性。

  近日,東南大學(xué)張久洋教授課題組設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一種基于均勻分散液態(tài)金屬硫聚合物的可回收,高導(dǎo)電和自愈的多功能復(fù)合材料。該研究成果發(fā)表在Adv. Funct. Mater. (2019, DOI: 10.1002/adfm.201808989) 期刊上,論文第一作者為東南大學(xué)博士生辛雨萌

  在本項(xiàng)研究中,研究人員利用單質(zhì)硫的聚合制備納米級(jí)分散的多功能液態(tài)金屬硫聚合物復(fù)合材料。單質(zhì)硫的開(kāi)環(huán)聚合提供了大量的多硫化物環(huán)和硫醇基團(tuán)作為有效的結(jié)合配體,使得液體金屬在聚合物中均勻地分散(~1 μm)并改善材料的機(jī)械性能。液態(tài)金屬硫聚合物復(fù)合材料(以下簡(jiǎn)稱:LMESP)表現(xiàn)出優(yōu)異的熱/溶劑加工性和可回收性(圖1b)。液態(tài)金屬的均勻分散使得LMESP具有顯著的導(dǎo)電性,克服了通常絕緣的液態(tài)金屬聚合物共混物的不導(dǎo)電問(wèn)題。

圖1.(a)LMESP復(fù)合材料的化學(xué)制備流程圖。(a1:淡黃色單質(zhì)硫粉;;a2:通過(guò)加熱至185 ,單質(zhì)硫熔化成澄清的雙自由基硫黃色液體;a3:液態(tài)金屬液滴;a4:將液態(tài)金屬均勻分散在1,3-二異丙烯基苯(DIB)單體溶液中;a5:在185 條件下與雙自由基硫反應(yīng)形成液體LMESP;a6:冷卻至室溫后形成LMESP復(fù)合材料。)(b)LMESP復(fù)合材料的熱/溶劑加工性和可再循環(huán)性。

  硫聚合物復(fù)合的液態(tài)金屬在室溫條件下能實(shí)現(xiàn)自愈。如圖2d所示,材料的自愈性質(zhì)歸因于硫聚合物中的硫硫鍵、高分子鏈纏結(jié)以及多硫化物環(huán)/硫醇基團(tuán)和液體金屬的配體之間的動(dòng)態(tài)鍵作用。圖2a中受損的LMESP-50% LM樣品在室溫條件下,經(jīng)過(guò)24小時(shí)后成功自愈。經(jīng)過(guò)24小時(shí)自愈后的樣品拉伸曲線與原始樣品的拉伸曲線接近(圖2b),進(jìn)一步證實(shí)了材料的自愈性。此外,經(jīng)過(guò)24小時(shí)自愈后,受損樣品的電阻接近未損壞樣品的原始電阻(圖2c),再次表明材料具有自愈性。

圖2.(a)用于自愈試驗(yàn)的LMESP-50% LM樣品的照片。將樣品切成兩半,然后在室溫條件下接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)自愈合。下圖是切割樣品的局部放大圖。(b)LMESP-50% LM樣品以及經(jīng)過(guò)6小時(shí),12小時(shí)和24小時(shí)自愈后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)LMESP-50% LM樣品以及經(jīng)過(guò)0小時(shí),6小時(shí),12小時(shí),18小時(shí)和24小時(shí)自愈后的電阻值。(d)LMESP材料自愈性質(zhì)的機(jī)理圖。

  這項(xiàng)工作為探索硫化物、液態(tài)金屬及其應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個(gè)新的研究思路。

  基于均勻分散液態(tài)金屬硫聚合物的多功能材料在電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201808989

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