西南科技大学雷永林:开启超灵敏、多响应模式!制备“多功能小天后”敏化材料

模拟神经元的感应模式将多种刺激(如应力、温度、湿度等)转化为电信号输出,是柔性传感器、可穿戴电子器件、人机交互和智能监测系统的核心部件。智能化工是新一代化学工业革命的主要推动力,从传统的数字化生产走向智能化制造已经成为不可逆转的工业发展方向,它可以实现生产过程中设备之间良好的信息交换,使各环节密切合作,保证产品质量,优化生产工艺,最大限度地减少产品的缺陷率。目前,基于数字化处理的在线检测系统已广泛应用于智能化工生产。然而,它仍是一个被动的监控系统致使信息传输滞后且需要巨大的财力、物力、人力投入,收效有限。因此,开发微型、多响应、轻量化、低功耗的柔性敏化材料变得尤为迫切。

自愈合材料不仅能够修复外界机械损伤且具有恢复功能(如导电性、形状记忆和对各种刺激的响应性等)的能力。该可修复过程大都归因于可逆的动态共价交联和非共价键相互作用。通常来说,高自愈合性能和强机械性能是一对捕食者与被捕食者的矛盾体,提高自愈合性能必然要牺牲机械强度,一山容二虎绝非易事。

西南科技大学雷永林:开启超灵敏、多响应模式!制备“多功能小天后”敏化材料

西南科技大学雷永林副教授近日开发了一种超灵敏、多响应的敏化材料,它不仅具有室温自愈合功能、高机械强度(拉伸强度11.37 ± 0.03 MPa),加入聚吡咯装饰的碳纳米管网络后更是赋予该材料超高的灵敏度和多响应性能。对外界物理信号变化(如应变、水分和温度)和各种化学环境的变化(如酸、碱、氧化剂和还原剂)都表现出优异的灵敏性。由于网络体系中存在动态二硫键和可逆氢键,断裂或受损的敏化材料在室温条件下能够完全愈合并恢复原始的高机械强度和可靠的多响应性能。

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图1 a) 聚氨酯网络的制备及化学结构;b)聚氨酯乳液的固化示意图。

 

敏化材料的制备

作者首先通过简单的缩聚反应采用一锅法制备了含动态二硫键和氢键网络的线性聚氨酯聚合物。然后受神经元的启发,作者将聚吡咯装饰到碳纳米管上制备新颖的导电材料。最后,通过溶液共混法将聚氨酯与导电材料组装起来,成膜干燥后得到聚氨酯基敏化材料

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图2 敏化材料自愈合机理示意图及其多响应示意图。

 

敏化材料的物理信号响应

可逆动态二硫键赋予了敏化材料极好的柔性,且体系中的氢键网络也可作为物理交联点,增强敏化块的机械强度。30% PPY/CNTs聚氨酯基敏化材料的最大伸长率和拉伸强度值分别为520 ± 17.50%和5.76 ± 0.03 MPa。基于敏化材料优异的性能,作者制备的敏化材料不仅能够对应变做出超灵敏的响应还能监测小型(手指弯曲)和大型(手腕弯曲)的身体运动。

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图3 敏化材料对生命活动和应变的监测。

 

此外,考虑到材料的热迁移率和体系的动态可逆性,该材料还有望用于温度和水分变化的实时监测领域。更惊讶的是该敏化材料能够同时超灵敏的对温度和应力刺激做出响应,这些特性使得该材料在工业生产、农业和医疗等领域的智能化进程中具有广泛的应用前景。

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图4. 敏化材料对温度和水分的响应。

 

敏化材料的化学信号响应

聚吡咯凭借其优良的导电性、化学响应性和可逆的化学性质在导电高分子中独树一帜,将其装饰碳纳米管使敏化材料的功能“多姿多彩”。鉴于聚吡咯特殊的理化性质,作者制备的敏化材料能够对化学溶液如酸、碱、氧化剂和还原剂等做出快速且准确的响应。该敏化材料的发现有望加快智能化工建设的步伐,化工企业从“汗水型”向“智能型”发展未来可期。

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图5 敏化材料对化学信号(酸、碱、氧化剂和还原剂)的响应。

 

自愈合性能

室温下剪断接触放置6 h后,长48.0 mm,厚2.5 mm的半哑铃形样品能举起5公斤的重量且不撕裂或变形。处理6 h后,最大伸长率和抗拉强度值分别回复至原始值的99%和90%。这主要是由于动态二硫键和氢键解离,促进了聚合物链的运动。断裂界面的聚合物相互扩散,形成新的二硫键和氢键,进而恢复机械性能。

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图6 聚氨酯的自修复性能。

 

该工作成果近期以“Neuron-InspiredSelf-Healing Composites via Dynamic Construction of Polypyrrole DecoratedCarbon Nanotubes for Smart Physiochemical Sensing” 为题,发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》杂志上,文章的第一作者是西南科技大学硕士研究生白玲,通讯作者为雷永林副教授。

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c05083

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