基于离子氢键的超分子弹性体的合成、表征及其在柔性/可拉伸应变传感器中的应用

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离子氢键是离子相互作用的一种形式,是在阴阳离子之间既有离子相互作用又形成氢键的一种协同效应。将动态可逆质的离子氢键整合到弹性体交联网络中,可获得具有良好自愈合能力、对p H和热敏感的离子氢键超分子弹性体(IHSEs)。这类弹性体近年来得到越来越多的研究和开发,然而绝大多数离子氢键超分子弹性体基于氨基和饱和羧基接枝碳主链的,鲜有以PDMS为主链的,基于不饱和羧基的未见报道。因此,从丰富功能聚合物种类的角度来看,离子氢键超分子弹性体是值得被进一步开发的。本文将以一条简易的、高效的且完全无溶剂的合成路线制备一种离子氢键超分子聚硅氧烷弹性体。具体地,通过氨基接枝聚硅氧烷(APS)与马来酸酐和琥珀酸酐在无溶剂条件下分别得到不饱和羧基接枝聚硅氧烷(UCS)和饱和羧基接枝聚硅氧烷(SCS),FT-IR、~1H-NMR和GPC表征了它们的结构。APS和UCS在无溶剂条件下简单共混可得到离子氢键超分子弹性体(IHSEs),而APS和SCS在同样的条件下只能得到粘流体,无法得到弹性体,这种差异表明不饱和羧基与氨基能形成更强的离子氢键。通过核磁滴定计算出不饱和羧基和饱和羧基分别与氨基的结合常数并比较大小进一步证实了这个结论。据我们所知,这是首次报道基于不饱和羧基-氨基配对的离子氢键超分子弹性体和双键对离子氢键强度影响的研究。该弹性体的力学性能和自愈合能力可由离子含量和不饱和羧基/氨基比值方便的调节。此外,当n(COOH):n(NH2)>1时,过量的羧基可与基材产生氢键相互作用,从而赋予弹性体良好的粘附力。随后,将控制n(COOH):n(NH2)>1获得的IHSEs经过优化后,与羧基改性碳纳米管进行复合,制备出离子氢键超分子弹性体@碳纳米管复合(IHSEs@CNTs)柔性/可拉伸应变传感器。在弹性体的可拉伸性、与皮肤模量对比和贴合皮肤能力等评价中证明IHSEs是制备具有舒适性的可穿戴设备的柔性/可拉伸应变传感器良好基材。由于IHSEs和CNTs上的羧基具有氢键相互作用,使得IHSEs层与CNTs层粘接牢固。在传感器的电学性能包括滞后性、灵敏度、稳定性和自愈合性等方面评价中证明我们的IHSEs@CNTs柔性/可拉伸应变传感器具有低滞后性、高灵敏度、高稳定性和良好的自愈合性,在开发耐用的可穿戴设备或者电子皮肤有着广阔的应用前景。在展示应用的两个实例中,我们的IHSEs@CNTs柔性/可拉伸应变传感器可以用于人体动作的检测和以及患者症状诸如咳嗽的监测,表明我们旨在为可穿戴电子设备创造更好的柔性/可拉伸电子传感器,为人们带来更多的便利。
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