柔性電子器件因其可以廣泛的應(yīng)用于健康監(jiān)測設(shè)備,柔性儲能設(shè)備,柔性電路板與柔性顯示等方向而吸引了科學(xué)工作者的注意力。迄今為止,柔性電子器件主要分為兩類:彈性體柔性電子器件與水凝膠柔性電子器件。這兩類不同基體的電子器件具有明顯的優(yōu)勢與劣勢。基于彈性體的電子器件具有高模量、高彈性和良好的抗機(jī)械疲勞特性,但是彈性體無法承受較大形變,這一點(diǎn)就大大限制了其進(jìn)一步的發(fā)展。水凝膠材料經(jīng)過多年的研究與探索,科研工作者可使水凝膠材料同時具有高機(jī)械性能與粘附性能。這兩點(diǎn)為水凝膠應(yīng)用于電子器件提供了良好的基礎(chǔ)。良好的機(jī)械性能保證水凝膠材料在外力下保持完整,而粘附性能可以使其緊密貼附于皮膚之上。而除此之外,還可以賦予水凝膠自愈合性能,以延長電子器件使用壽命,減少其維修費(fèi)用。而水凝膠在應(yīng)用中無法應(yīng)對極端寒冷環(huán)境的問題也通過引入多元溶劑或高濃度無機(jī)鹽來有效的解決。正是因?yàn)榫哂幸陨闲阅芸梢允惯@種水凝膠電子器件有著更加廣泛的應(yīng)用范圍。所以,我們對以上性能進(jìn)行整合,制備具有粘韌行為的自愈合導(dǎo)電水凝膠以應(yīng)用于柔性電子器件領(lǐng)域。在第一部分工作中,在水凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)同時引入疏水締合作用,金屬絡(luò)合作用和氫鍵同時作為物理交聯(lián)點(diǎn),所得水... 

【文章來源】：長春工業(yè)大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：115 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖1-4雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠承受壓力的示意圖。(a)PAMPS1-4 SN單網(wǎng)絡(luò)水凝膠(可承受0.4 MPa應(yīng)力);(b)PAMPS-1-4/PAAm-2-0.1水凝膠(可承受17.2 MPa應(yīng)力)。

滑動環(huán)水凝膠(Slide-Ring Gel),也稱為拓?fù)淠z(Topological Gel),于2001年,由Okumura和Ito制備。(圖1-5)[5]�；瑒迎h(huán)水凝膠可以解決水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)不規(guī)整的缺陷,所以滑動環(huán)水凝膠比其他類型水凝膠的規(guī)整性要高。相應(yīng)地,在宏觀上滑動環(huán)水凝膠具有極高的延展性(可拉伸至原長的24倍)、良好的恢復(fù)性、溶脹性和低粘度。同其他類型水凝膠的交聯(lián)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨機(jī)分布一樣,滑動環(huán)水凝膠交聯(lián)點(diǎn)的分布也是隨機(jī)的,但與其他水凝膠的不同點(diǎn)是,它的交聯(lián)點(diǎn)是能夠隨著鏈段滑動的。當(dāng)施加應(yīng)力時,水凝膠內(nèi)部的交聯(lián)點(diǎn)就像“滑輪”樣可以任意滑動。一條長的分子鏈被分割成為幾個鏈段,從而將應(yīng)力平均地分散到每個鏈段上。與此同時,由于水凝膠的網(wǎng)絡(luò)是三維的,“滑輪”還可以把應(yīng)力平均低分散到整個水凝膠網(wǎng)絡(luò)中。因此,相比于普通的水凝膠,滑動環(huán)水凝膠便可以承擔(dān)更大的應(yīng)力,耗散更多的能量。納米復(fù)合水凝膠(nanocomposite hydrogel,NC hydrogel),于2002年由Haraguch首次報道。該團(tuán)隊(duì)制備的水凝膠由單體N-異丙基丙烯酰胺在鋰藻土納米片層的懸浮液中原位聚合所得,其機(jī)理圖示于圖1-6。所得NC水凝膠的斷裂應(yīng)力為傳統(tǒng)水凝膠的10倍,斷裂伸長率也是當(dāng)時普通水凝膠的50倍。接下來,科研工作者們將目光集中于各類的納米粒子填料,包括氧化石墨烯、碳納米管、納米纖維素、無機(jī)納米粒子(納米二氧化鈦、Fe3O4、鋰蒙脫土以及納米羥基磷灰石等)。通過該方法所制備的NC水凝膠相對于傳統(tǒng)水凝膠在力學(xué)強(qiáng)度、斷裂伸長率、彈性模量等力學(xué)性能都有顯著的提高。這種納米復(fù)合水凝膠的增韌機(jī)理類似于橡膠利用炭黑微粒來形成物理交聯(lián),對橡膠的分子鏈進(jìn)行吸附,從而對橡膠起到補(bǔ)強(qiáng)作用,可以有效地提高橡膠的力學(xué)強(qiáng)度。同理,這種納米填充也使用與水凝膠增韌。這種經(jīng)納米粒子增韌的水凝膠可以應(yīng)用于衛(wèi)生用品、軟骨組織的修復(fù)與再生等。

納米復(fù)合水凝膠(nanocomposite hydrogel,NC hydrogel),于2002年由Haraguch首次報道。該團(tuán)隊(duì)制備的水凝膠由單體N-異丙基丙烯酰胺在鋰藻土納米片層的懸浮液中原位聚合所得,其機(jī)理圖示于圖1-6。所得NC水凝膠的斷裂應(yīng)力為傳統(tǒng)水凝膠的10倍,斷裂伸長率也是當(dāng)時普通水凝膠的50倍。接下來,科研工作者們將目光集中于各類的納米粒子填料,包括氧化石墨烯、碳納米管、納米纖維素、無機(jī)納米粒子(納米二氧化鈦、Fe3O4、鋰蒙脫土以及納米羥基磷灰石等)。通過該方法所制備的NC水凝膠相對于傳統(tǒng)水凝膠在力學(xué)強(qiáng)度、斷裂伸長率、彈性模量等力學(xué)性能都有顯著的提高。這種納米復(fù)合水凝膠的增韌機(jī)理類似于橡膠利用炭黑微粒來形成物理交聯(lián),對橡膠的分子鏈進(jìn)行吸附,從而對橡膠起到補(bǔ)強(qiáng)作用,可以有效地提高橡膠的力學(xué)強(qiáng)度。同理,這種納米填充也使用與水凝膠增韌。這種經(jīng)納米粒子增韌的水凝膠可以應(yīng)用于衛(wèi)生用品、軟骨組織的修復(fù)與再生等。疏水締合水凝膠,即:在水凝膠內(nèi)引入疏水基團(tuán),形成疏水締合膠束,疏水鏈段纏結(jié)于其中,同時與親水性單體共聚。疏水締合膠束在水凝膠體系內(nèi)充當(dāng)物理交聯(lián)點(diǎn)有效地分散應(yīng)力。同時在膠束內(nèi)的呈纏結(jié)狀態(tài)疏水鏈段能有通過解纏或分子鏈滑移來耗散能量,因此可以大幅度地提高水凝膠的力學(xué)性能。Okay等將丙烯酰胺(AAm)與疏水單體甲基丙烯酸月桂酯進(jìn)行共聚,所得水凝膠的力學(xué)強(qiáng)以疏水締合膠束作為動態(tài)交聯(lián)點(diǎn)(圖1-7)[13]。在拉伸過程中,分子鏈的解纏與滑移則會耗散掉更多的能量,因此水凝膠的斷裂應(yīng)力可以達(dá)到80 kPa。由于聚(N,N′-二甲基丙烯酰胺)(PDMA)形成的氫鍵可以和疏水締合作用在水溶液中共存,Okay利用N,N’-二甲基雙丙烯酰胺與甲基丙烯酸十八酯共聚制備得到具有高拉伸性能的水凝膠[14]。所得的PDMA疏水締合水凝膠的最大斷裂伸長率為4300%。但對照實(shí)驗(yàn)組純PAAm疏水締合水凝膠的斷裂伸長率僅為2000%。所以該P(yáng)DMA疏水締合水凝膠力學(xué)性能的提升可以歸因于水凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部PDMA分子鏈形成的氫鍵和疏水締合相互作用可將應(yīng)力耗散掉。


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