清华深圳国际研究生院秦培武、山东大学于冬梅团队 CEJ: 具有高度伸展性、透明度和自修复能力的温度耐受全固态触摸屏

2022-08-22 来源：高分子科技

可拉伸的透明触控板已经获得了大量的研究关注，其中水凝胶/离子凝胶的离子导体发挥了关键作用。然而，水凝胶/离子凝胶通常有固有的限制。这些设备在高温下会受到液体溶剂脱水或蒸发的影响，或者长期暴露在露天环境中，这会使它们的离子传导性和伸展性变差。水凝胶在实际使用中很容易变干，导致设备失效。水凝胶在低温下会结冰，导致拉伸性和自愈能力的丧失，离子传导性也会明显下降。人们提出了一些策略来解决上述问题，如在水凝胶中引入化学物质或盐类，可以延缓脱水，降低冰点，但不能完全防止脱水。水凝胶设备需要使用疏水材料进行密封和包覆，以有效保留水分，然而，水凝胶/弹性体的强粘性需要复杂的程序。虽然离子凝胶由于其非挥发性、良好的热稳定性和离子传导性，最近受到了极大的关注，但挑战在于变形时的液体泄漏。因此，理想的可拉伸触摸板将利用弹性体作为电气化材料和电极。

清华大学深圳国际研究生院秦培武副教授和山东大学于冬梅副教授团队受固态锂离子电池的聚合物电解质的启发，合成了一种新型的无液体ICE，作为全固态自修复离子导体，分别通过锂键和氢键承载锂（Li）阳离子和相关阴离子。这种材料具有高度的可拉伸性（25℃时单轴应变可达997%）、透明性（可见光的透射率为93%）、抗冻性（-40℃）、热稳定性（高达270℃）、高导电性（25℃时离子导电率为8。8 ×10^-3 Sm^-1，在25 °C时），并且在很宽的温度范围内（-20至60 °C）可以自愈，这是因为二（乙二醇）乙醚丙烯酸酯（DEEA）和丙烯酸环己酯（CHA）的共聚物含有双（三氟甲烷）磺酰胺锂（LiTFSI）盐。与以前的研究相比，本研究中合成的导电弹性体的机械和电气性能允许在-20至60℃的温度范围内自愈，同时保持高度透明的外观以及拉伸性和导电性。这些ICEs在没有任何外部刺激的情况下具有快速的自愈特性，并且具有出色的自愈效率。为了证明其实际应用，他们构建了一个高度可拉伸和透明的自愈合全固态表面电容式触摸系统。这些可拉伸和自愈合的触控板的功能通过书写文字、绘制图形、玩电脑游戏和控制外部设备得到了证明。基于这种全固态触控板，在较宽的温度范围内（-20至60℃）开发高度可拉伸、透明和可持续的人机界面是可行的和可以实现的。

图1. 无液体ICEs的示意图和物理特性。(a) 无液体ICEs的分子设计示意图，它由P(DEEA-co-CHA)的交联共聚物网络、移动锂离子和相关阴离子组成。(b) 不同盐浓度的ICE的ATR-FTIR。(c) 不同盐浓度的ICE的XRD测试。(d) 0.5毫米厚的ICE薄膜的透射光谱。内页：照片显示被1.5毫米厚的ICE薄膜覆盖的QR码。该二维码可以很容易地被二维码阅读器识别。(e) C = 0.0、1.0、2.0和3.0M的ICE接触角测试的照片。(f) ICE样品在潮湿环境中的重量变化。(g) ICEs的TGA。插图。温度低于150℃时的TGA。(h) P(DEEA-co-CHA)的DSC曲线显示，在F=0.2和C=2.0M时，玻璃转化温度约为-48℃。除非另有说明，上述所有测试中LiTFSI的摩尔浓度都固定为C = 2.0 M。

图2. (a) ICE在-20、25和60℃时的拉伸应力-应变曲线。(b) ICE样品在25和-30 °C下被弯曲和拉伸的照片。(c) ICE的TTS流变学。(d) ICE的DMA曲线。(e) ICE在25 °C下承受循环载荷的应力-应变曲线。(f) 残余应变和恢复率与加载/卸载周期数的关系图。(g) ICEs在10、30和60 °C的Nyquist图。(h) ICEs在-30、-20和-10℃时的Nyquist图。(i) 在-30至120℃范围内，离子电导率是温度的函数。

图3. 2D ICE触控板：位置感应和操作。(a) ICE触摸板的示意图，其中α和β表示触摸位置的两个归一化距离。(b)手指触摸时ICE触摸板的等效电路图。(c) 透明ICE触控板的照片。对面板的四个触摸点（TP#1至TP#4）进行调查，以揭示位置检测的敏感性。依次触摸TP#1至TP#4点，在温度为-20℃（d）、25℃（e）和60℃（f）时，用四个电流表A1、A2、A3和A4测量电流I1、I2、I3和I4的时间。(g) 集成式ICE触摸系统的示意图。(h) 触摸板通过控制器板集成到计算机中，建立一个触摸系统。(i) 触摸板被用来画一个奔跑的人。

以上成果近期发表在Chemical Engineering Journal上。论文的第一作者为清华大学深圳国际研究生院博士后陈正林，通讯作者为秦培武副教授和于冬梅副教授。该项目得到国家自然科学基金项目，深圳市科创委基础研究项目，深圳湾实验室开放基金项目以及中国博士后基金项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138672

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻