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東南大學張久洋教授課題組在硫聚合物-液態金屬復合材料方面取得進展

2019-03-05 11:47:35 作者：老酒高分子來源：高分子科技分享至：

液態金屬（Liquid metal， LM），如鎵，鎵鋅共晶合金和鎵銦共晶合金，在室溫下呈液態。由于液態金屬具有高導電性，良好的流動性和低毒性等特點，已成功應用于微流體芯片，軟體機器人和柔性電子產品。雖然液態金屬的性質已被廣泛研究，但其應用仍受到一定的限制。例如，液態金屬與非金屬材料的不相容性，因此難以制備均勻的液態金屬復合材料。此外，相容性的巨大差異使得制備具有納米級（~1 µm）液態金屬復合材料具有一定的挑戰性。在大多數液態金屬復合材料中，液態金屬尺寸通常超過20µm。其次，液態金屬與聚合物的直接混合通常會形成介電材料而不是導電復合材料。此外，可回收性和可加工性對于擴大液態金屬復合材料的應用也是至關重要的。到目前為止，常用的液態金屬復合材料加工方法是將液態金屬嵌入或注入不可加工的交聯聚合物橡膠（彈性體）中，顯著降低其可加工性和可回收性。

近日，東南大學張久洋教授課題組設計和構建了一種基于均勻分散液態金屬硫聚合物的可回收，高導電和自愈的多功能復合材料。該研究成果發表在Adv. Funct. Mater. （2019, DOI: 10.1002/adfm.201808989）期刊上，論文第一作者為東南大學博士生辛雨萌。

在本項研究中，研究人員利用單質硫的聚合制備納米級分散的多功能液態金屬硫聚合物復合材料。單質硫的開環聚合提供了大量的多硫化物環和硫醇基團作為有效的結合配體，使得液體金屬在聚合物中均勻地分散（~1 μm）并改善材料的機械性能。液態金屬硫聚合物復合材料（以下簡稱：LMESP）表現出優異的熱/溶劑加工性和可回收性（圖1b）。液態金屬的均勻分散使得LMESP具有顯著的導電性，克服了通常絕緣的液態金屬聚合物共混物的不導電問題。

圖1.（a）LMESP復合材料的化學制備流程圖。（a1：淡黃色單質硫粉；；a2：通過加熱至185 ℃，單質硫熔化成澄清的雙自由基硫黃色液體；a3：液態金屬液滴；a4：將液態金屬均勻分散在1,3-二異丙烯基苯（DIB）單體溶液中；a5：在185 ℃條件下與雙自由基硫反應形成液體LMESP；a6：冷卻至室溫后形成LMESP復合材料。）（b）LMESP復合材料的熱/溶劑加工性和可再循環性。

硫聚合物復合的液態金屬在室溫條件下能實現自愈。如圖2d所示，材料的自愈性質歸因于硫聚合物中的硫硫鍵、高分子鏈纏結以及多硫化物環/硫醇基團和液體金屬的配體之間的動態鍵作用。圖2a中受損的LMESP-50% LM樣品在室溫條件下，經過24小時后成功自愈。經過24小時自愈后的樣品拉伸曲線與原始樣品的拉伸曲線接近（圖2b），進一步證實了材料的自愈性。此外，經過24小時自愈后，受損樣品的電阻接近未損壞樣品的原始電阻（圖2c），再次表明材料具有自愈性。

圖2.（a）用于自愈試驗的LMESP-50％ LM樣品的照片。將樣品切成兩半，然后在室溫條件下接觸來實現自愈合。下圖是切割樣品的局部放大圖。（b）LMESP-50％ LM樣品以及經過6小時，12小時和24小時自愈后的應力-應變曲線。（c）LMESP-50％ LM樣品以及經過0小時，6小時，12小時，18小時和24小時自愈后的電阻值。（d）LMESP材料自愈性質的機理圖。

這項工作為探索硫化物、液態金屬及其應用領域提供了一個新的研究思路。

基于均勻分散液態金屬硫聚合物的多功能材料在電子器件領域具有潛在的應用價值。該工作得到國家自然科學基金的支持。

論文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201808989

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責任編輯：韓鑫