金属、碳材料及离子的导电弹...的制备及其在柔性电子的应用_肖雄.pdf

99综述NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology金属、碳材料及离子的导电弹性体的制备及其在柔性电子的应用肖 雄,叶 文,李平阳,许保云,艾 波,林倬仕,董玲玲,陈彦昊（聚烯烃催化技术与高性能材料国家重点实验室 上海市聚烯烃催化技术重点实验室上海功能阻燃材料工程技术研究中心，上海 200062）摘要：导电弹性体由于具有优异的导电性和可拉伸性，可用于各类柔性电子材料。但导电弹性体材料存在形变能力差、回弹性不佳、循环稳定性弱等问题，限制其应用。文章介绍导电弹性体的导电机理、导电网络构建方法，并总结近年来基于金属、碳材料及离子的导电弹性体的研究进展。分析导电弹性体在电子器件领域的应用前景和存在的问题。结果表明：导电弹性体的结构设计、导电填料分布及新型导电弹性体开发等方面应深入研究。关键词：导电网络；导电弹性体；柔性电子中图分类号：TB34；O631.3 文献标识码：A 文章编号：1005-3360（2023）02-0099-06 DOI：10.15925/ki.issn1005-3360.2023.02.020Preparation of Conductivity Elastomers Based on Metal,Carbon Materials and Ionic and Their Application in Flexible ElectronicsXIAO Xiong,YE Wen,LI Ping-yang,XU Bao-yun,AI Bo,LIN Zhuo-shi,DONG Ling-ling,CHEN Yan-hao(State Key Laboratory of Polyolefins Catalyst Technology and High Performance Materials,Shanghai Key Laboratory of Catalysis Technology for Polyolefins,Shanghai Engineering Research Center of Functional Flame Retardant Material,Shanghai 200062,China)Abstract:Conductive elastomers can be used in various flexible electronic materials due to their excellent conductivity and tensile properties.However,the application of conductive elastomer is limited by its poor deformation ability,poor resilience and weak cyclic stability.The conductive mechanism of conductive elastomer and the construction method of conductive network are introduced,and the research progress of conductive elastomer based on metal,carbon material and ion in recent years is summarized.The application prospect and existing problems of conductive elastomer in the field of electronic devices are analyzed.The results show that the structural design of conductive elastomer,the distribution of conductive fillers and the development of new conductive elastomer should be further studied.Key words:Conductive network;Conductive elastomers;Flexible Electronics大多数聚合物是良好的电绝缘体，电阻率高，容易产生静电，从而限制其应用1-3。静电在人体的积累可能影响各个脏器的工作，尤其是心脏的正常工作，从而引发心率异常和心脏提前收缩。因此，导电高分子材料的研究受到很多学者的关注。与传统刚性导电高分子材料相比，导电热塑性弹性体由于其可逆变形能力强，在拉伸、扭曲和折叠过程中具有持久的导电通路，在运动传感器、健康监控、移动侦测、可穿戴电子、可拉伸电子器件等领域展现较好的潜力。在军事上，导电弹性体可以用于制备电磁屏蔽材料，在电磁干扰屏蔽、电子包装、雷达吸收、加热元件，还有成本较高的存储电容器等方面广泛应用4-7。具有良好导电性和可拉伸性的柔性导电材料能够与各种电子器件集收稿日期：2022-09-12基金项目：上海科技创新基地项目（19DZ2253700）；聚烯烃催化与高性能材料国家重点实验室专项（SKLZX-2021-02）；上海市-西班牙国际科技合作项目（21520730600）联系人，引用本文：肖雄,叶文,李平阳,等.金属、碳材料及离子的导电弹性体的制备及其在柔性电子的应用J.塑料科技,2023,51(2):99-104.Citation：Xiao X,Ye W,Li P Y,et al.Preparation of conductivity elastomers based on metal,carbon materials and ionic and their application in flexible electronicsJ.Plastics Science and Technology,2023,51(2):99-104.100综述NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology成，因而在电子皮肤、传感器等领域具有广阔的应用前景。本研究综述了导电热塑性弹性体的导电原理、导电网络构建以及目前基于金属材料、碳材料及新型离子的导电弹性体在电子领域的研究进展，为导电弹性体材料在电子领域应用存在的问题及未来发展方向提供参考。1基础理论导电聚合物复合材料主要由高电导率的导电填料和绝缘性的聚合物基体组成，其中导电填料提供载流子，通过导电填料之间的相互作用实现载流子在聚合物复合材料中的迁移。聚合物材料的电导率主要取决于载流子的浓度和电子迁移速率，载流子可以是电子，也可以是正负离子或空穴8-10。目前，导电理论主要包括：（1）逾渗理论。逾渗是指渗流效应，当填充量达到某个值时，整个体系发生突变，在导电性能方面从绝缘体变为导体。（2）导电通路。当导电填料直接接触或具有较小间隙(80%）、离子导电(0.2 S/m)和可图案化（海星型）的弹性体。制备的弹性体可应用于触觉和应变传感器，具有灵敏的信号响应。合成在宽温度范围（从零下到高温）内自主自愈合、透明、可拉伸和导电的一体分子网络是一项挑战。Li等53通过两种可聚合的 PDES 单体，丙烯酰胺(AAm)/氯化胆碱(ChCl)和马来酸(MA)/ChCl型PDES的光引发共聚，制备自愈合、透明、导电和高拉伸弹性体。聚(AAm/ChCl-co-MA/ChCl)体系的二元结构块之间的氢键可以很容易地断裂和重组，使这种有机设计的弹性体在-2360 的温度范围内自愈合，同时保持高度透明的外观。超分子网络弹性体显示出快速的自我修复性能（在2 s内），无任何其他外部刺激，并且具有优异的自我修复效率（高达94%）。弹性体是高度透明（平均透过率为95.1%），本质导电（离子电导率为4.010-4 S/cm），室温下可拉伸（应变高达450%）。该材料在恶劣环境中的可拉伸电子器件和光学相关领域中有应用潜力。4结论（1）导电弹性体在使用过程中，需要适应各种复杂的环境变化，并且保持功能的稳定性。同时具有高导电性和可拉伸性的导电弹性体在电子领域，特别是柔性电子器件的制备与构筑中发挥重要作用。图3MXene结构示意图及典型层层自组装导电弹性体制备流程Fig.3 MXene structure diagram and typical layer-by-layer self-assembly conductive elastomer preparation process103综述NO.02 2023塑料科技 Plastics Science and Technology（2）导电填料与弹性体之间存在复杂的界面结合，其结合或分布对于导电弹性体综合性能具有重要影响。其中导电填料与弹性体之间的复杂结合机制，影响综合性能较好的弹性体材料的制备。（3）单一导电填料通常具有较高的逾渗阈值，将不同三维形貌、不同尺寸的导电填料在树脂中共混或相互掺杂，有利于降低聚合物的逾渗阈值。（4）高电导率的新型离子导电填料具有较高拉伸性、回弹性和循环稳定性，离子导电弹性体的制备是该领域研究的重点。（5）导电弹性体在电子领域应用中需适应的环境复杂多变，因此，目前更多研究倾向于设计和制备在不同的环境下（如温度、压力、磁场等）可以保持使用性能的导电弹性体材料。参考文献1 Qiao J,Guo M,Wang L,et al.Recent advances in polyolefin technologyJ.Polymer Chemistry,2011,2(8):1611-1623.2 Yuk H,Lu B Y,Zhao X H.Hydrogel bioelectronicsJ.Chemical Society Reviews,2019,48(6):1642-1667.3 Noh S,Gong H Y,Lee H J,et al.Electrically conductive micropatterned polyanilinepoly(ethylene glycol)composite hydrogelJ.Materials,2021,DOI:10.3390/ma14020308.4 Schwartz G,Tee B C K,Mei J G,et al.Flexible polymer transistors with high pressure sensitivity for application in electronic skin and health monitoringJ.Nature Communication,2013,DOI:10.1038/ncomms2832.5 Duan J J,Liang X C,Guo J H,et al.Ultra-stretchable and force-sensitive hydrogels reinforced with chitosan microspheres embedded in polymer networksJ.Advanced Material,2016,28(36):8037-8044.6 Lu N S,Lu C,Yang S X,et al.Highly sensitive skin-mountable strain gauges based entirely on elastomersJ.Advanced Functional Material,2012,22(19):4044-4050.7 Zhang Z,Gao Z L,Wang Y T,et al.Eco-friendly,self-healing hydrogels for adhesive and elastic strain sensors,circuit repairing,and flexible electronic devicesJ.Ma