東華大學游正偉團隊AFM | 用于3D打印可穿戴電子設備的新型可回收材料

來源：上普生物

近期，東華大學游正偉教授等在 Advanced  Functional Materials期刊上發(fā)表了“Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D‐Printed Wearable Electronics”的文章。

摘要：可穿戴電子設備已成為日常生活的重要組成部分。但是，其快速發(fā)展導致了電子廢物的問題。因此，非常需要開發(fā)一種適合于可穿戴電子設備的可回收材料。東華大學游正偉教授團隊使用基于動態(tài)共價交聯(lián)彈性體和分層混合納米填料設計了一種可循環(huán)利用的導電復合材料（PFBC）。PFBC具有出色的廣泛性能，包括可加工性，彈性，導電性和穩(wěn)定性，優(yōu)于以前用于可回收電子產(chǎn)品的材料，并且具有出色的機械性能和在高溫，高濕，鹽水和乙醇環(huán)境中展現(xiàn)的環(huán)境耐受性。Diels–Alder網(wǎng)絡的可逆分解可以方便地進行處理和回收。經(jīng)過三個循環(huán)后，PFBC的韌性仍保持在10.1 MJ m-3，在所報告的可回收電子材料中很明顯。三種類型的基于PFBC的可穿戴電子設備，包括摩擦電納米發(fā)生器，電容式壓力傳感器和柔性鍵盤，均以出色的性能成功地進行了3D打印。PFBC同時具有可回收性和可降解性，兩者的結合提供了減少電子廢物的新途徑。這是使用直接3D打印回收電子產(chǎn)品的第一項工作，并提出了可穿戴電子產(chǎn)品的有希望的新設計原理和材料。
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在這項研究中，首先設計并制備了一種基于DA反應的新型電子動態(tài)共價交聯(lián)彈性體，稱為PBSF-FA-BMI（PFB）。

PFB材料具有以下特點：
1）良好的穩(wěn)定性和彈性。靈活的聚合物鏈和共價交聯(lián)網(wǎng)絡結構可提供強大的彈性和機械性能，以適應動態(tài)環(huán)境中應用過程中的反復變形。此外，PFB表現(xiàn)出出色的濕度（> 60％），化學（鹽水/乙醇）和耐熱性（100°C）

2）簡單的可加工性和可回收性。如圖1C所示 基于呋喃和馬來酰亞胺基團的DA環(huán)加成反應的動力學性質，PFB具有熱塑性，可以通過3DP輕松加工成電子設備。與常見的基于離子和自由基反應的可逆鍵相比，由于環(huán)加成反應具有很高的特異性，因此DA反應在環(huán)境中的可逆性非常好，后者的中間體很容易被水分，氧氣等淬滅。。因此，這些基于電子產(chǎn)品的PFB可以在多個周期內(nèi)使用直接3DP輕松回收為新的電子產(chǎn)品。

3）可回收性和可降解性的結合。設備的回收周期數(shù)量有限，降級仍然是電子垃圾的最終解決方案�？苫厥针娮赢a(chǎn)品的可降解性已被大大忽略。我們選擇酯鏈作為聚合物的主鏈，因為它在高達300°C的溫度下具有很高的熱穩(wěn)定性。因此，DA反應的重塑過程不會影響材料的穩(wěn)定性。通過引入PFB的可酶降解鍵，這些電子器件在使用后會降解。電子產(chǎn)品的可回收性和可降解性相結合，可以大大減少電子廢物和由此產(chǎn)生的環(huán)境影響�？傮w而言，PFB具有出色的彈性，穩(wěn)定性，可加工性，可回收性和可降解性。

通過將納米級填料引入彈性體PFB中，團隊制備了導電可循環(huán)利用復合材料（PFBC）。
PFBC材料具有以下特點：
1）PFBC具有出色的彈性，導電性，自修復，可加工性和可回收性，優(yōu)于以前用于可回收電子產(chǎn)品的材料，并且具有出色的機械性能和在高溫，高濕，鹽水和乙醇環(huán)境中展現(xiàn)的環(huán)境耐受性。

2）Diels–Alder網(wǎng)絡的可逆分解可以方便地進行處理和回收。經(jīng)過三個循環(huán)后，PFBC的韌性仍保持在10.1 MJ m-3，在所報告的可回收電子材料中很明顯。

3）三種類型的基于PFBC的可穿戴電子設備，包括摩擦電納米發(fā)生器，電容式壓力傳感器和柔性鍵盤，均以出色的性能成功地進行了3D打印。

總體而言，這項工作為定制可穿戴電子設備提供了一種強大的新材料新方法，可實現(xiàn)可穿戴電子設備在大多數(shù)方面的同步優(yōu)化，包括出色的彈性，導電性，穩(wěn)定性，可加工性，可回收性和可降解性。

參考文獻
Guo, Y., et al., Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D‐Printed Wearable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2020, 2009799.
https://doi.org/10.1002/adfm.202009799