基于可拉伸导电材料的柔性电子由于其超薄、质轻、以及良好机械韧性和皮肤顺应性等特点而受到人们的广泛关注,并在软体机器人、人工肌肉、健康监测、能源收集等领域展现出了广阔的应用前景。然而,当前被广泛应用的离子水凝胶或有机凝胶由于在存储或使用过程中存在液体泄漏和蒸发的风险,使得其环境稳定性较差,严重地限制了它们的应用窗口。
近日,四川大学金勇教授课题组将固态的锂盐(双三氟甲烷磺酰亚胺锂,LiTFSI)和水性聚氨酯(WPU)共混,制备了一种无液体的全固态离子导电弹性体(LFICE)。由于其简便的制备方法以及WPU基材的环境友好性和易获得性,故所得LFICE具有大规模制备的潜力。得益于WPU自身的软段和硬段的特殊结构,其硬段可赋予LFICE较其他凝胶基导电材料更好的机械性能,同时其软段的-O-与Li+配位确保了LFICE的高离子电导率。更为重要的是,由于无液体-全固态特征,LFICE在环境温度或在更高温度下长期储存后展现出了持久的环境稳定性,这极大地拓宽了可拉伸导电材料在实际应用中的操作窗口。此外,研究人员还组装了一个温度和应变双响应的传感器和一个热电发电机,分别用于人体体温和运动监测以及热电收集,进一步展现了LFICE在柔性电子领域中的广阔应用前景。
图1.(a)WPU和LiTFSI的化学结构式;(b)LFICE的制备示意图;(c)LFICEs的UV-vis透射光谱;(d)LFICEs的应力-应变曲线。
图2.(a)LFICEs的FTIR-ATR光谱;(b)LiTFSI和代表性样品的XRD图谱;(c)LFICE-4的SEM图;(d)LFICE-4的EDS图谱。
图3.(a)LFICE-4和PAHG的TGA;(b)LFICE-4和PAHG在在室温下储存5 d前后的照片;(c,d)在30%应变下,LFICE和PAHG分别在制备完成时(Ⅰ)、室温下储存5 d(Ⅱ)或90 d(LFICE-4,Ⅳ)的相对电阻变化,以及分别在60 ℃下储存24 h(LFICE-4)或4 h (PAHG)后的相对电阻变化(Ⅲ)。
图4. 在手腕弯曲(a)、食指缓慢弯曲(b)或快速弯曲(c)和肘部弯曲(d)下,LFICE-4柔性传感器的相对电阻变化。
图5. 发热(a)和降温(c)前后的电流信号; 发热(b)和降温(d)前后的红外热成像图。
该研究成果以题为“Liquid-Free Ion-Conducting Elastomer with Environmental Stability for Soft Sensing and Thermoelectric Generating”在《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表,第一作者为四川大学轻工科学与工程学院博士生周荣,金勇教授为本论文的通讯作者。该项研究也得到了国家自然科学基金及四川省科技支撑计划等项目的资助。
原文链接:https://doi.org/10.1021/acsami.2c09208
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