聚合物/导电网络一体化构建多重可逆动态作用制备自修复柔性电极

Self-healing flexible electrodes is the core component of flexible electronics for realizing intelligent, wearable and self-healing performances. To date, the self-healing of flexible electrodes based on conductive networks reconfiguration which is driven by the lateral movement of the polymer molecular chains resulted from polymer substrate self-healing. However, since the polymer chains and the conductive networks are usually combined by weak forces such as van der Waals force or single hydrogen bond, the complete and accurate reconstruction of the conductive network at the fracture interface cannot be achieved, reducing the mechanical and electrical properties of the repaired flexible electrodes. To this issue, by designing the chemical structure of flexible electrodes, we will connect the conductive networks into polymer substrate through the reversible dynamic imide bonds/multiple hydrogen bonds or multiple hydrogen bonds /UPy quadruple hydrogen bonds to enhance the force between polymer chains and conductive networks. More importantly, the reversible dynamic bonds will reform between the polymer chains and the conductive networks at fracture interface during flexible electrodes repair to drive the reconstruction of conductive networks quickly, accurately and completely, guaranteeing the physical structure, mechanical properties and conductivity of the repaired electrodes. The achievement in the future of this project will provide an important theoretical basis for the preparation of self-healing flexible electrodes with excellent performances.

自修复柔性电极是实现柔性电子器件智能化、可穿戴化、自修复的核心部件。目前自修复柔性电极的修复是依靠聚合物分子链的横向移动，带动导电网络重构完成的。但是由于聚合物分子链与导电网络一般是通过范德华力、或单一氢键等作用力较弱的方式结合，无法保障导电网络在断裂界面完全、准确的重构，从而降低了修复后电极的力学性能和电学性能。本研究针对这一科学问题，从聚合物与导电网络的化学结构设计入手，在赋予聚合物基体自修复能力的同时，将导电网络通过亚胺键/多重氢键、多重氢键/UPy四重氢键连接在聚合物网络体系中，增强聚合物分子链与导电网络的作用力。更为重要的是，在电极修复时利用动态键的可逆作用，聚合物分子链与导电网络在断裂界面重新形成可逆动态键，诱导导电网络能够快速、准确、完全修复，从而保障电极修复后的物理结构、力学性能、导电性能。项目将为制备高性能自修复柔性电极提供重要理论基础。

因在拉伸、挤压、弯曲等外场力作用下仍然能保持良好的工作状态，柔性电子器件在柔性电子显示屏、可穿戴设备、柔性电池、超级电容器等领域展现出巨大的应用价值和前景。作为核心部件，具有电学性能、力学性能高效修复的电极是实现柔性电子器件功能的材料基础。因此，在外场力长期作用下如何实现柔性电极材料性能的高效恢复是柔性电子领域亟待解决的关键问题。.本项目针对聚合物分子链与导电网络作用力较弱，当柔性电极在外场力长期作用下尤其是破损后，导电网络无法快速、完整的重构，从而导致电极材料性能严重退化甚至功能完全丧失这一问题，利用聚合物/导电网络一体化构建多重可逆动态作用制备自修复柔性电极。核心研究内容是在聚合物体系中构建亚胺键/多重氢键/UPy四重氢键多重动态网络的同时，对MXene、CNTs和/或GO等导电填料进行表面改性，并将其通过亚胺键/多重氢键，或多重氢键/UPy四重氢键动态可逆的连接在聚合物分子链上，基于高分子基体优异的自修复性能以及与导电网络强的界面作用，在室温条件下修复12h后，柔性电极的导电率和力学性能的修复效率均大于90%；基于上述柔性电极材料构建的高灵敏度应变传感器、接触传感器，以及多功能自供能纳米摩擦发电机能够准确实时的监测人体大幅度动作、人体微弱信号，远距离监控（1m）人体运动，并实现高效电磁屏蔽。.项目系统研究了聚合物-导电网络强的动态可逆界面作用对柔性电极的导电率、力学性能、修复效率的影响规律；详细阐述了动态可逆界面作用对柔性电极电阻变化率的影响机制，以此为基础重点解释了柔性可穿戴设备对于外界信号刺激的响应机理。因此，本项目为设计制备长寿命电极材料及其电学性能、力学性能的高效恢复奠定了理论基础，为构筑高可靠性、高灵敏度可穿戴设备提供了技术支撑。