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清華深圳國際研究生院秦培武、山東大學于冬梅團隊 CEJ: 具有高度伸展性、透明度和自修復能力的溫度耐受全固態觸摸屏

2022-08-22 來源：高分子科技

可拉伸的透明觸控板已經獲得了大量的研究關注，其中水凝膠/離子凝膠的離子導體發揮了關鍵作用。然而，水凝膠/離子凝膠通常有固有的限制。這些設備在高溫下會受到液體溶劑脫水或蒸發的影響，或者長期暴露在露天環境中，這會使它們的離子傳導性和伸展性變差。水凝膠在實際使用中很容易變干，導致設備失效。水凝膠在低溫下會結冰，導致拉伸性和自愈能力的喪失，離子傳導性也會明顯下降。人們提出了一些策略來解決上述問題，如在水凝膠中引入化學物質或鹽類，可以延緩脫水，降低冰點，但不能完全防止脫水。水凝膠設備需要使用疏水材料進行密封和包覆，以有效保留水分，然而，水凝膠/彈性體的強粘性需要復雜的程序。雖然離子凝膠由于其非揮發性、良好的熱穩定性和離子傳導性，最近受到了極大的關注，但挑戰在于變形時的液體泄漏。因此，理想的可拉伸觸摸板將利用彈性體作為電氣化材料和電極。

清華大學深圳國際研究生院秦培武副教授和山東大學于冬梅副教授團隊受固態鋰離子電池的聚合物電解質的啟發，合成了一種新型的無液體ICE，作為全固態自修復離子導體，分別通過鋰鍵和氫鍵承載鋰（Li）陽離子和相關陰離子。這種材料具有高度的可拉伸性（25℃時單軸應變可達997%）、透明性（可見光的透射率為93%）、抗凍性（-40℃）、熱穩定性（高達270℃）、高導電性（25℃時離子導電率為8。8 ×10^-3 Sm^-1，在25 °C時），并且在很寬的溫度范圍內（-20至60 °C）可以自愈，這是因為二（乙二醇）乙醚丙烯酸酯（DEEA）和丙烯酸環己酯（CHA）的共聚物含有雙（三氟甲烷）磺酰胺鋰（LiTFSI）鹽。與以前的研究相比，本研究中合成的導電彈性體的機械和電氣性能允許在-20至60℃的溫度范圍內自愈，同時保持高度透明的外觀以及拉伸性和導電性。這些ICEs在沒有任何外部刺激的情況下具有快速的自愈特性，并且具有出色的自愈效率。為了證明其實際應用，他們構建了一個高度可拉伸和透明的自愈合全固態表面電容式觸摸系統。這些可拉伸和自愈合的觸控板的功能通過書寫文字、繪制圖形、玩電腦游戲和控制外部設備得到了證明。基于這種全固態觸控板，在較寬的溫度范圍內（-20至60℃）開發高度可拉伸、透明和可持續的人機界面是可行的和可以實現的。

圖1. 無液體ICEs的示意圖和物理特性。(a) 無液體ICEs的分子設計示意圖，它由P(DEEA-co-CHA)的交聯共聚物網絡、移動鋰離子和相關陰離子組成。(b) 不同鹽濃度的ICE的ATR-FTIR。(c) 不同鹽濃度的ICE的XRD測試。(d) 0.5毫米厚的ICE薄膜的透射光譜。內頁：照片顯示被1.5毫米厚的ICE薄膜覆蓋的QR碼。該二維碼可以很容易地被二維碼閱讀器識別。(e) C = 0.0、1.0、2.0和3.0M的ICE接觸角測試的照片。(f) ICE樣品在潮濕環境中的重量變化。(g) ICEs的TGA。插圖。溫度低于150℃時的TGA。(h) P(DEEA-co-CHA)的DSC曲線顯示，在F=0.2和C=2.0M時，玻璃轉化溫度約為-48℃。除非另有說明，上述所有測試中LiTFSI的摩爾濃度都固定為C = 2.0 M。

圖2. (a) ICE在-20、25和60℃時的拉伸應力-應變曲線。(b) ICE樣品在25和-30 °C下被彎曲和拉伸的照片。(c) ICE的TTS流變學。(d) ICE的DMA曲線。(e) ICE在25 °C下承受循環載荷的應力-應變曲線。(f) 殘余應變和恢復率與加載/卸載周期數的關系圖。(g) ICEs在10、30和60 °C的Nyquist圖。(h) ICEs在-30、-20和-10℃時的Nyquist圖。(i) 在-30至120℃范圍內，離子電導率是溫度的函數。

圖3. 2D ICE觸控板：位置感應和操作。(a) ICE觸摸板的示意圖，其中α和β表示觸摸位置的兩個歸一化距離。(b)手指觸摸時ICE觸摸板的等效電路圖。(c) 透明ICE觸控板的照片。對面板的四個觸摸點（TP#1至TP#4）進行調查，以揭示位置檢測的敏感性。依次觸摸TP#1至TP#4點，在溫度為-20℃（d）、25℃（e）和60℃（f）時，用四個電流表A1、A2、A3和A4測量電流I1、I2、I3和I4的時間。(g) 集成式ICE觸摸系統的示意圖。(h) 觸摸板通過控制器板集成到計算機中，建立一個觸摸系統。(i) 觸摸板被用來畫一個奔跑的人。

以上成果近期發表在Chemical Engineering Journal上。論文的第一作者為清華大學深圳國際研究生院博士后陳正林，通訊作者為秦培武副教授和于冬梅副教授。該項目得到國家自然科學基金項目，深圳市科創委基礎研究項目，深圳灣實驗室開放基金項目以及中國博士后基金項目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138672

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（責任編輯：xu）

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