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我室祁海松教授团队:液态金属纳米颗粒激活的PEDOT:磺化细菌纤维素纳米纤维全聚合物水凝胶的快速凝胶化

发布时间:2021-10-21 访问次数:10

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  由于其表皮顺应性、可调控的弹性和智能特性,自下而上的方法构建类似皮肤的导电水凝胶越来越受到关注。其中,高导电性二维纳米材料或无机盐通常被封装在亲水性聚合物基质中使水凝胶获得高导电性。然而,二维刚性纳米导体的异质分布和离子盐的沉淀往往导致结构不相容性和应力集中,这些会大大地削弱了凝胶的拉伸性,从而极大地限制了水凝胶的拉伸感应能力、重复性和可扩展性。导电聚合物中固有的软共轭链提供出色的结构灵活性和兼容性,使其成为构建导电水凝胶的绝佳替代品,尤其是聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)。然而,由于单体聚合过程中的团聚,EDOT单体直接聚合为 PEDOT 并不能提高导电性。此外,PEDOT不溶于水的特性,使其难以均匀分散在水凝胶中。所以,单体EDOT的聚合往往需要亲水或水溶性模板。可溶性聚苯乙烯磺酸盐(PSS)是其原位聚合的理想模板,并且已经商业化。考虑到成本和环境友好性,使用磺化天然亲水材料(瓜尔胶、木质素)代替 PSS 作为模板分散 PEDOT为制备高导电水凝胶提供了新思路。此外,传统的化学交联网络由于缺乏能量耗散途径,水凝胶力学性能差、应变能力低。因此,通常引入各种动态化学键交联形式以使水凝胶具有适当的韧性、耐用性和自愈性。然而,这也意味着合成网络是多种组分的,昂贵的且难以调控的。大多数水凝胶的聚合仍然依赖于较长的加热步骤(或紫外线辐射)以及一些有毒交联剂的添加,制造过程复杂且耗时。另外,导电水凝胶的自修复特性和界面粘附性是避免永久性损坏、界面脱粘和随后功能丧失的关键因素。

  鉴于此,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室祁海松教授团队利用磺化的细菌纤维素纳米纤维素作为模板,原位聚合了EDOT单体,成功合成高导电性、柔性、机械增强的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):磺化细菌纤维素纳米纤维(PEDOT:BCNF)纳米导电材料。由于BCNF表面的高负电性,超声处理液态金属、PEDOT:BCNF混合物能快速分散液态金属,形成稳定的核壳结构LM-PEDOT:BCNF纳米颗粒。再通过液态金属纳米粒子(LMNPs)引发和交联的聚(丙烯酸)(PAA)骨架与(PEDOT:BCNF)纳米导电材料开发了新型全聚合物导电水凝胶。由于受LMNPs 激活,LMNPs/PEDOT:BCNF/PAA水凝胶的凝胶时间比传统的通过热或紫外光引发过程短得多(仅需14-27 秒)。导电水凝胶表现出超拉伸性(2850%)、快速自主自愈和多重传感(应变、溶剂和水)特性。此外,处于初始凝胶阶段或低 LM 含量的水凝胶表现出可塑性、优异的界面粘附性和快速的形状适应性。基质中的 LMNPs使水凝胶还提供了优异的抗菌性能。考虑到水凝胶的透明度(薄膜)、超拉伸性、可塑性和传感特性,这种多功能水凝胶有望应用于可穿戴设备、形状读取、多重传感器和可图案化电致发光设备。这项工作提出了利用磺化BCNF作为EDOT聚合的模板构建导电水凝胶的新概念,为快速合成用于下一代绿色柔性电子产品的多功能水凝胶提供了有效方法。

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图1 LMNPs/PEDOT:BCNF/PAA水凝胶的制备示意图,LMNPs,PEDOT:BCNF纳米颗粒型貌及可能的键合。

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图2 LMNPs/PEDOT:BCNF/PAA水凝胶快速凝胶化过程的自由基聚合反应及水凝胶的可塑性、界面粘性、形状自适应性。

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图3 LMNPs/PEDOT:BCNF/PAA水凝胶的机械性能及抗菌特性。

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图4 LMNPs/PEDOT:BCNF/PAA水凝胶的机械自愈合和电自愈合性能。

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图5 LMNPs/PEDOT:BCNF/PAA水凝胶作为传感器(应变,溶剂,湿度),3维力图,柔性显示等应用的可能性探究。

  以上相关成果以题为“Facile Gelation of Fully Polymeric Conductive Hydrogel Activated by Liquid Metal Nanoparticles”的论文发表在最新一期《Journal of Materials Chemistry A》上,华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室为唯一单位,第一作者为华南理工大学博士研究生王明,华南理工大学祁海松教授为唯一通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省科学基金和广州市基础与应用基础研究基金的大力支持。

  论文链接:https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA07254D