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新加坡國立大學歐陽建勇教授課題組《Sci. Adv.》：鹽引起的本征導電聚合物的韌塑化和其電阻對應變的不敏感行為

2022-11-27 來源：高分子科技

高機械強度與高機械延展性對材料的實際應用至關重要。但是，一個材料通常不能同時擁有這兩個高性能。提高材料的機械延展性通常會降低其機械強度。克服機械強度與延展性之間的矛盾始終是所有材料的一個重要挑戰。可以提高延展性但是不降低機械強度的方法叫做韌塑化，只有少數合金材料可以韌塑化。高分子材料可以通過塑化來提高其機械延展性，但是塑化會顯著降低其機械強度。在文獻里還沒有關于高分子材料的韌塑化的報道。

最近，新加坡國立大學歐陽建勇教授課題組首次報道無機鹽引起的聚(3，4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸（PEDOT:PSS）的韌塑化（圖1）。他們發現在乙二醇處理的PEDOT:PSS膜中加入高氯酸鈉，可以將PEDOT:PSS的斷裂伸長率從低于10% 提升至53.2%，同時保持其高拉伸強度（～21 MPa）。

圖1. （A）對PEDOT:PSS進行處理的示意圖。（B）PEDOT:PSS, a-EG/PEDOT:PSS 及NaClO₄/PEDOT:PSS的應力應變曲線。a-EG/PEDOT:PSS以及不同濃度NaClO₄處理a-EG/PEDOT:PSS的（C）應力應變曲線及（D）抗拉強度和韌性與其斷裂伸長率的關系。

該方法也可以用于經過酸或有機分子后處理的高導電的PEDOT:PSS的韌塑化。此外，使用其他的無機鹽，比如NaCl，同樣可以引起高導電的PEDOT:PSS的韌塑化。而且，韌塑化后的PEDOT:PSS具有良好的彈性回復率（圖2）。

圖2.（a）韌塑化PEDOT:PSS的彈性回復率。（b）韌塑化PEDOT:PSS的彈性回復率與小分子增塑或彈性體共混的PEDOT:PSS之間的比較。

韌塑化PEDOT:PSS同時具有優良的電學性能。其電導率可以達到538 S cm^-1（圖1），且其電阻對應變不敏感。在拉伸率達30%的循環拉伸試驗中，其電阻僅增加約6%（圖3d）。對應變不敏感的電阻行為非常有利于其在柔性電子學方面的應用。

圖3.（A）韌塑化PEDOT:PSS的電導率與高氯酸鈉溶液濃度的關系。韌塑化PEDOT:PSS在（B）單次拉伸及（D，D）循環拉伸過程中的電阻變化。

他們提出韌塑化的機理是由于無機鹽的正負離子與PEDOT:PSS的PEDOT⁺與的PSS^-相互作用降低了PEDOT:PSS高分子鏈之間的庫倫相互作用，從而提升其拉伸性能（圖4）。同時，因為在PEDOT:PSS中的共軛的PEDOT網絡保持穩定，所以其拉伸強度幾乎沒有改變。

圖4. 無機鹽韌塑化PEDOT:PSS 的機理圖示。

提高導電高分子的機械延展性很有實際意義。導電高分子由于其共軛主鏈結構及離子間的庫倫相互作用，其機械延展性比較差。目前，提升導電聚合物延展性的方法包括使用小分子增塑和與彈性體共混。雖然這些方法可以提高其機械延展性，但是同時會顯著降低其機械強度。這是首次發現高分子材料的韌塑化。該工作以“Salt-induced ductilization and strain-insensitive resistance of intrinsically conducting polymer”為題發表于《Science Advance》。文章第一作者是何昊博士，通訊作者是歐陽建勇教授。

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8160

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（責任編輯：xu）

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