东华大学游正伟团队AFM | 用于3D打印可穿戴电子设备的新型可回收材料

来源：上普生物

近期，东华大学游正伟教授等在 Advanced  Functional Materials期刊上发表了“Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D‐Printed Wearable Electronics”的文章。

摘要：可穿戴电子设备已成为日常生活的重要组成部分。但是，其快速发展导致了电子废物的问题。因此，非常需要开发一种适合于可穿戴电子设备的可回收材料。东华大学游正伟教授团队使用基于动态共价交联弹性体和分层混合纳米填料设计了一种可循环利用的导电复合材料（PFBC）。PFBC具有出色的广泛性能，包括可加工性，弹性，导电性和稳定性，优于以前用于可回收电子产品的材料，并且具有出色的机械性能和在高温，高湿，盐水和乙醇环境中展现的环境耐受性。Diels–Alder网络的可逆分解可以方便地进行处理和回收。经过三个循环后，PFBC的韧性仍保持在10.1 MJ m-3，在所报告的可回收电子材料中很明显。三种类型的基于PFBC的可穿戴电子设备，包括摩擦电纳米发生器，电容式压力传感器和柔性键盘，均以出色的性能成功地进行了3D打印。PFBC同时具有可回收性和可降解性，两者的结合提供了减少电子废物的新途径。这是使用直接3D打印回收电子产品的第一项工作，并提出了可穿戴电子产品的有希望的新设计原理和材料。
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在这项研究中，首先设计并制备了一种基于DA反应的新型电子动态共价交联弹性体，称为PBSF-FA-BMI（PFB）。

PFB材料具有以下特点：
1）良好的稳定性和弹性。灵活的聚合物链和共价交联网络结构可提供强大的弹性和机械性能，以适应动态环境中应用过程中的反复变形。此外，PFB表现出出色的湿度（> 60％），化学（盐水/乙醇）和耐热性（100°C）

2）简单的可加工性和可回收性。如图1C所示 基于呋喃和马来酰亚胺基团的DA环加成反应的动力学性质，PFB具有热塑性，可以通过3DP轻松加工成电子设备。与常见的基于离子和自由基反应的可逆键相比，由于环加成反应具有很高的特异性，因此DA反应在环境中的可逆性非常好，后者的中间体很容易被水分，氧气等淬灭。。因此，这些基于电子产品的PFB可以在多个周期内使用直接3DP轻松回收为新的电子产品。

3）可回收性和可降解性的结合。设备的回收周期数量有限，降级仍然是电子垃圾的最终解决方案。可回收电子产品的可降解性已被大大忽略。我们选择酯链作为聚合物的主链，因为它在高达300°C的温度下具有很高的热稳定性。因此，DA反应的重塑过程不会影响材料的稳定性。通过引入PFB的可酶降解键，这些电子器件在使用后会降解。电子产品的可回收性和可降解性相结合，可以大大减少电子废物和由此产生的环境影响。总体而言，PFB具有出色的弹性，稳定性，可加工性，可回收性和可降解性。

通过将纳米级填料引入弹性体PFB中，团队制备了导电可循环利用复合材料（PFBC）。
PFBC材料具有以下特点：
1）PFBC具有出色的弹性，导电性，自修复，可加工性和可回收性，优于以前用于可回收电子产品的材料，并且具有出色的机械性能和在高温，高湿，盐水和乙醇环境中展现的环境耐受性。

2）Diels–Alder网络的可逆分解可以方便地进行处理和回收。经过三个循环后，PFBC的韧性仍保持在10.1 MJ m-3，在所报告的可回收电子材料中很明显。

3）三种类型的基于PFBC的可穿戴电子设备，包括摩擦电纳米发生器，电容式压力传感器和柔性键盘，均以出色的性能成功地进行了3D打印。

总体而言，这项工作为定制可穿戴电子设备提供了一种强大的新材料新方法，可实现可穿戴电子设备在大多数方面的同步优化，包括出色的弹性，导电性，稳定性，可加工性，可回收性和可降解性。

参考文献
Guo, Y., et al., Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D‐Printed Wearable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2020, 2009799.
https://doi.org/10.1002/adfm.202009799