东南大学张久洋教授课题组在硫聚合物-液态金属复合材料方面取得进展
2019-03-05 11:47:35
作者：老酒高分子 来源：高分子科技
液态金属（Liquid metal， LM），如镓，镓锌共晶合金和镓铟共晶合金，在室温下呈液态。由于液态金属具有高导电性，良好的流动性和低毒性等特点，已成功应用于微流体芯片，软体机器人和柔性电子产品。虽然液态金属的性质已被广泛研究，但其应用仍受到一定的限制。例如，液态金属与非金属材料的不相容性，因此难以制备均匀的液态金属复合材料。此外，相容性的巨大差异使得制备具有纳米级（~1 µm）液态金属复合材料具有一定的挑战性。在大多数液态金属复合材料中，液态金属尺寸通常超过20µm。其次，液态金属与聚合物的直接混合通常会形成介电材料而不是导电复合材料。此外，可回收性和可加工性对于扩大液态金属复合材料的应用也是至关重要的。到目前为止，常用的液态金属复合材料加工方法是将液态金属嵌入或注入不可加工的交联聚合物橡胶（弹性体）中，显着降低其可加工性和可回收性。
近日，东南大学张久洋教授课题组设计和构建了一种基于均匀分散液态金属硫聚合物的可回收，高导电和自愈的多功能复合材料。该研究成果发表在Adv. Funct. Mater. （2019, DOI: 10.1002/adfm.201808989） 期刊上，论文第一作者为东南大学博士生辛雨萌。
在本项研究中，研究人员利用单质硫的聚合制备纳米级分散的多功能液态金属硫聚合物复合材料。单质硫的开环聚合提供了大量的多硫化物环和硫醇基团作为有效的结合配体，使得液体金属在聚合物中均匀地分散（~1 μm）并改善材料的机械性能。液态金属硫聚合物复合材料（以下简称：LMESP）表现出优异的热/溶剂加工性和可回收性（图1b）。液态金属的均匀分散使得LMESP具有显着的导电性，克服了通常绝缘的液态金属聚合物共混物的不导电问题。
图1.（a）LMESP复合材料的化学制备流程图。（a1：淡黄色单质硫粉；；a2：通过加热至185 ℃，单质硫熔化成澄清的双自由基硫黄色液体；a3：液态金属液滴；a4：将液态金属均匀分散在1,3-二异丙烯基苯（DIB）单体溶液中；a5：在185 ℃条件下与双自由基硫反应形成液体LMESP；a6：冷却至室温后形成LMESP复合材料。）（b）LMESP复合材料的热/溶剂加工性和可再循环性。
硫聚合物复合的液态金属在室温条件下能实现自愈。如图2d所示，材料的自愈性质归因于硫聚合物中的硫硫键、高分子链缠结以及多硫化物环/硫醇基团和液体金属的配体之间的动态键作用。图2a中受损的LMESP-50% LM样品在室温条件下，经过24小时后成功自愈。经过24小时自愈后的样品拉伸曲线与原始样品的拉伸曲线接近（图2b），进一步证实了材料的自愈性。此外，经过24小时自愈后，受损样品的电阻接近未损坏样品的原始电阻（图2c），再次表明材料具有自愈性。
图2.（a）用于自愈试验的LMESP-50％ LM样品的照片。将样品切成两半，然后在室温条件下接触来实现自愈合。下图是切割样品的局部放大图。（b）LMESP-50％ LM样品以及经过6小时，12小时和24小时自愈后的应力-应变曲线。（c）LMESP-50％ LM样品以及经过0小时，6小时，12小时，18小时和24小时自愈后的电阻值。（d）LMESP材料自愈性质的机理图。
这项工作为探索硫化物、液态金属及其应用领域提供了一个新的研究思路。
基于均匀分散液态金属硫聚合物的多功能材料在电子器件领域具有潜在的应用价值。该工作得到国家自然科学基金的支持。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201808989
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