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東南大學(xué)張久洋教授課題組在硫聚合物-液態(tài)金屬復(fù)合材料方面取得進(jìn)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(tài)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(tài)。由于液態(tài)金屬具有高導(dǎo)電性，良好的流動性和低毒性等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于微流體芯片，軟體機(jī)器人和柔性電子產(chǎn)品。雖然液態(tài)金屬的性質(zhì)已被廣泛研究，但其應(yīng)用仍受到一定的限制。例如，液態(tài)金屬與非金屬材料的不相容性，因此難以制備均勻的液態(tài)金屬復(fù)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(tài)金屬復(fù)合材料具有一定的挑戰(zhàn)性。在大多數(shù)液態(tài)金屬復(fù)合材料中，液態(tài)金屬尺寸通常超過20µm。其次，液態(tài)金屬與聚合物的直接混合通常會形成介電材料而不是導(dǎo)電復(fù)合材料。此外，可回收性和可加工性對于擴(kuò)大液態(tài)金屬復(fù)合材料的應(yīng)用也是至關(guān)重要的。到目前為止，常用的液態(tài)金屬復(fù)合材料加工方法是將液態(tài)金屬嵌入或注入不可加工的交聯(lián)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(xué)張久洋教授課題組設(shè)計(jì)和構(gòu)建了一種基于均勻分散液態(tài)金屬硫聚合物的可回收，高導(dǎo)電和自愈的多功能復(fù)合材料。該研究成果發(fā)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(xué)博士生辛雨萌。

在本項(xiàng)研究中，研究人員利用單質(zhì)硫的聚合制備納米級分散的多功能液態(tài)金屬硫聚合物復(fù)合材料。單質(zhì)硫的開環(huán)聚合提供了大量的多硫化物環(huán)和硫醇基團(tuán)作為有效的結(jié)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(jī)械性能。液態(tài)金屬硫聚合物復(fù)合材料（以下簡稱：LMESP）表現(xiàn)出優(yōu)異的熱/溶劑加工性和可回收性（圖1b）。液態(tài)金屬的均勻分散使得LMESP具有顯著的導(dǎo)電性，克服了通常絕緣的液態(tài)金屬聚合物共混物的不導(dǎo)電問題。

圖1.（a）LMESP復(fù)合材料的化學(xué)制備流程圖。（a1：淡黃色單質(zhì)硫粉；；a2：通過加熱至185 ℃，單質(zhì)硫熔化成澄清的雙自由基硫黃色液體；a3：液態(tài)金屬液滴；a4：將液態(tài)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(yīng)形成液體LMESP；a6：冷卻至室溫后形成LMESP復(fù)合材料。）（b）LMESP復(fù)合材料的熱/溶劑加工性和可再循環(huán)性。

硫聚合物復(fù)合的液態(tài)金屬在室溫條件下能實(shí)現(xiàn)自愈。如圖2d所示，材料的自愈性質(zhì)歸因于硫聚合物中的硫硫鍵、高分子鏈纏結(jié)以及多硫化物環(huán)/硫醇基團(tuán)和液體金屬的配體之間的動態(tài)鍵作用。圖2a中受損的LMESP-50% LM樣品在室溫條件下，經(jīng)過24小時(shí)后成功自愈。經(jīng)過24小時(shí)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(jìn)一步證實(shí)了材料的自愈性。此外，經(jīng)過24小時(shí)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(yàn)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(shí)現(xiàn)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(jīng)過6小時(shí)，12小時(shí)和24小時(shí)自愈后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。（c）LMESP-50％ LM樣品以及經(jīng)過0小時(shí)，6小時(shí)，12小時(shí)，18小時(shí)和24小時(shí)自愈后的電阻值。（d）LMESP材料自愈性質(zhì)的機(jī)理圖。

這項(xiàng)工作為探索硫化物、液態(tài)金屬及其應(yīng)用領(lǐng)域提供了一個(gè)新的研究思路。

基于均勻分散液態(tài)金屬硫聚合物的多功能材料在電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。該工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。

論文鏈接：

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

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責(zé)任編輯：韓鑫