李晓燕副教授、邓维礼副教授， CEJ 观点：基于三嵌段共聚物纤维膜分层组装的超伸缩电极- 大数跨境

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李晓燕副教授、邓维礼副教授， CEJ 观点：基于三嵌段共聚物纤维膜分层组装的超伸缩电极

科学材料站

2021-10-21

导读：该文章设计了一种具有层次化的微纳结构，与三嵌段共聚物纤维形成良好的界面，具有良好的机电性能的超伸缩纤维膜

文章信息

基于三嵌段共聚物纤维膜分层组装的超伸缩电极

第一作者：朱鸣，杨涛

通讯作者：李晓燕*，邓维礼*

单位：上海理工大学，西南交通大学

研究背景

可拉伸电子器件由于其类似于组织的机械灵活性而引起了人们极大的兴趣。电子器件的灵敏度和可重复拉伸性可以通重叠元件之间的分离、裂纹的扩展和剪纸等结构设计的方式实现。

然而，大的拉伸应变需要相当长的时间才能恢复，特别是不可逆的裂纹扩展将严重影响可拉伸电子器件的循环稳定性。在可穿戴电子设备中可控的纳米材料和弹性体组装以获得足够的拉伸性和循环稳定性仍然是一个挑战。

文章简介

基于此，来自上海理工大学的李晓燕副教授与西南交通大学的邓维礼副教授合作，在国际知名期刊Chemical Engineering Journal上发表题为“Superstretchable electrode based on hierarchical assembly of triblock copolymer fiber membrane”的文章。

该文章设计了一种具有层次化的微纳结构，与三嵌段共聚物纤维形成良好的界面，具有良好的机电性能的超伸缩纤维膜，提供了一种简单可控的方法来实现具有稳定、柔软、可拉伸性质的大应变电子器件，并在监控人体运动的扩展应用中显示出广阔的潜力。

图1. 设计的高伸缩性电极的原理图。(a)基于SEBS/CNT@PANi分级膜的可伸缩电极的细节;(b)膜的转变状态的示意图;(c)制备过程的示意图。

文章要点

要点一：基于SEBS三嵌段共聚物、碳纳米管和聚苯胺的分级组装，设计了一种超伸缩纤维膜。

受蜘蛛网独特结构的启发，提出了一种基于聚(苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯)(SEBS)三嵌段共聚物纤维与碳纳米管(CNTs)和聚苯胺(PANi)导电聚合物分层组装的超可伸缩纤维膜。

具体而言，一维空心CNTs柔顺地包裹在SEBS微纤维表面，与微纤维形成良好的界面相互作用，可充分转移应变，并作为载体与原位电聚合聚苯胺形成共轭相互作用，最终形成SEBS/CNT@PANi分级膜。这种仿生多级膜在大范围拉伸下表现出良好的导电性和循环稳定性。

要点二：薄膜的电导率约为2.40 S·cm-1，抗拉强度可达8.2 MPa，而杨氏模量仅为0.26 MPa，经过1000次循环后，制备的膜的电导率保持稳定。

SEBS/CNTs@PANi薄膜的电导率约为2.40 S·cm-1，拉伸强度约为8.20 MPa，弹性模量约为0.26 MPa，断裂伸长率高达1251% ，厚度仅为40 μm 的薄膜具有良好的拉伸性能。当超细纤维被拉伸取向时，CNTs会发生变形，电沉积在CNTs表面的纳米粒子会随着CNTs变形。微纳级结构和良好的界面相互作用使得膜具有超级的拉伸性能，并且应力可以完全转移到SEBS 三嵌段共聚物中。所设计的薄膜具有良好的响应稳定性和响应速度。

此外，当膜在50% 拉伸应变下经过1000次循环后，电阻变化率基本保持在95.5% ，具有良好的循环稳定性。复合膜还可通过热压愈合，可以用于后续的封装或回收再利用。

图2. (a) 可伸缩SEBS/CNT@PANi纤维状态的示意图; (b)不同应变下电输出对 SEBS/CNT@PANi膜的影响; (c)应变为10% 、50% 、100%时详细的电力输出; (d)电输出与外加应变的比较; (e)不同频率的电输出; (f)50%拉伸应变耐久性测试。比例尺为5μm。

要点三：这种可伸缩的复合薄膜已被成功证明可以探测各种人体动作，甚至可以在水下工作。

由于其优良的机械性能，制备的超薄柔软膜可以弯曲、折叠和扭曲成任意角度，便于与橡胶手套和人体皮肤组织配合。薄膜在变形时仍能保持良好的电导率，在弯曲90° 、伸长50% 、扭曲360° 时仍能照亮LED 灯。

SEBS/CNT@PANi 应变传感器能灵敏地检测食指在不同弯曲角度下的弯曲行为。随着弯曲角度从0-90° 增加/减小，由于膜被拉伸/恢复，可以检测到相对电阻的逐渐增加/减小，即使在潮湿或水下，也能探测到人体的各种运动。

图3. (a) SEBS/CNT@PANi可伸缩应变传感器的数码照片; (b) LED 灯处于不同状态时的照片; (c)安装在手指、手腕、脚跟及膝盖上用以监察人体运动的传感器示意图; (d)屈指、(e)伸腕屈腕、(f)膝关节运动、(g)水中屈指、(h)水中屈腕和(i)踝关节屈曲的实时电流信号。

文章链接

Superstretchable electrode based on hierarchical assembly of triblock copolymer fiber membrane

https://authors.elsevier.com/sd/article/S1385-8947(21)04486-7

通讯作者简介

李晓燕副教授.

博士，上海理工大学材料与化学学院副教授，硕士生导师，美国加州大学洛杉矶分校及河滨分校访问学者。长期从事聚合物纳米复合材料的制备及先进成型研究，研究兴趣为聚合物基纳米复合材料的表界面效应及应用，聚合物复合材料的成型加工及优化等。主持国家自然科学基金项目、医工交叉项目等数十项科研项目。共发表论文60余篇，第一发明人授权专利3项。

邓维礼副教授.

博士，副教授（先聘后评），硕士生导师，美国加州大学洛杉矶分校及河滨分校访问学者（国家公派全额资助），四川省海外高层次留学人才。长期从事纳米功能材料及柔性可穿戴传感的基础研究，主要以力-电耦合效应为基础，围绕材料合成、物性研究、器件研制和应用开发，构建基于电信号传导的高灵敏柔性传感阵列器件，研究纳米功能材料层次结构界面对器件宏观性能的作用机制，探索自供能柔性传感器件在可穿戴人机界面系统领域的应用。近年来，在ACS Nano（IF：15.881）、Advanced Functional Materials（IF：18.808）、Nano Letters（IF：11.189）、Nano Energy（IF：17.881）等国际知名期刊发表学术论文40余篇，包括热点论文1篇，ESI高被引论文5篇，封面论文3篇。作为项目负责人主持国家自然科学基金青年基金项目、四川省科技厅重点研发项目、中央高校科技创新项目等多项国家及省部级科研项目，已完成5项第一发明人的专利成果转让。入选四川大学学报（自然科学版）编委，Soft Science青年编委，Crystals（IF：2.589）客座编辑，长期担任ACS Nano、Nano Energy、Biosensors & Bioelectronics、Journal of Materials Chemistry C、Materials Letter、ACS Applied Nano Materials、Sensors等国际期刊的论文审稿人。指导学生参加挑战杯、创青春、生命之星、节能减排等科技竞赛多次获得省级及国家级奖项。