南京工业大学|董晓臣教授团队《ACS Nano》：基于Ti3C2Tx MXene的快速、普适成胶策略制备多功能水凝胶柔性电子器件- 大数跨境

首页

南京工业大学|董晓臣教授团队《ACS Nano》：基于Ti3C2Tx MXene的快速、普适成胶策略制备多功能水凝胶柔性电子器件

科学材料站

2021-01-26

导读：本文以Ti3C2Tx MXene和不同单体、高分子为研究对象，开发了一种快速、普适成胶的新策略

研究背景

传统水凝胶制备过程具有特异性，适用于单体X的聚合体系不一定适用于单体Y。譬如，当单体X加入到含有引发剂、交联剂的前驱体中，可在一定条件（如光、热、紫外等）形成水凝胶，但当同等含量的单体B加入到上述前驱体中时，因不同单体的聚合成胶过程与交联网络间的分子间作用力密切相关，可能在很长时间内保持液态流动性，不能形成凝胶态。研究表明，当导电填料加入到前驱体中时，可增强交联网络内不同组分间的动态键合作用，并形成第二重导电网络，赋予水凝胶材料多功能性。

Ti3C2Tx MXene具有堪比金属的高电导率和高亲水性，在能源存储、电磁屏蔽、光电器件等领域应用潜力巨大。先前的研究多集中在利用MXene作为导电填料加入到前驱体中，提高水凝胶电子器件的力学性能和传感性能。利用Ti3C2Tx MXene片层表面具有丰富可调的化学基团，可与高分子链形成离子键、氢键等多重动态作用力的特性，将Ti3C2Tx MXene作为一种普适性交联剂，可以实现不同水凝胶体系间的快速、普适成胶。同时，Ti3C2Tx MXene独特的光热效应也为开发兼具传感和驱动性能的水凝胶柔性器件提供了诸多可能。

快速、普适性成胶策略

基于之前在水凝胶柔性电子器件领域的研究 (10.1021/acsnano.9b07874；10.1002/adfm.201802576；10.1039/C9TA00641A；10.1039/C8NR02813C)，南京工业大学董晓臣教授科研团队和沙特阿卜杜拉国王科技大学 Husam N. Alshareef教授合作，以Ti3C2Tx MXene和不同单体、高分子为研究对象，开发了一种快速、普适成胶的新策略，实现7种单体和5种高分子的普适性成胶，分析了不同单体中取代基团的位阻效应和分子间作用力对成胶时间的影响，制备了多功能水凝胶柔性电子器件。

图1. MXene水凝胶快速成胶机理和普适成胶策略

典型的聚合体系包括单体（如AA、AM、DMA、NIPAM、HEMA、ANI、PEGDA等）、引发剂（APS）、甘油、Ti3C2Tx MXene，如图1所示。作者进行了一系列对照实验，证明每种组分对快速成胶过程都有重要影响。

以AA为例，MXene的极性基团可与AA的羧基形成螯合作用，释放大量的热，降低自由基生成的能垒；而甘油既可以抑制热量的散失，又可以与AA的羧基、MXene的羟基形成氢键作用，增强交联网络的分子间作用力。

因为不同取代基可以影响高分子与MXene的动态作用力，导致不同单体和MXene聚合成胶时间有所差异。例如，AM、DMA、NIPAM的成胶时间分别为84、126、224 s，并且PDMA-MXene水凝胶在室温下倒置贮存15 min，又可恢复其初始流动性。

实验还表明，苯胺（ANI）-MXene体系的成胶过程显著依赖于ANI的浓度，而APS、甘油、MXene浓度的影响较小；同时，PANI的刚性分子链降低了交联网络在外力下的回弹性能，使得PANI-MXene水凝胶表现出很大的脆性。虽然PEGDA具有长链结构，但其主链含有C=C，可看做“单体”，PEGDA-MXene水凝胶的成胶过程在室温条件下即可发生，其成胶时间低至363 s。

MXene加快单体聚合成胶的现象并不局限于亲水性单体，还可拓展到其他油性单体。甲基丙烯酸甲酯 (MMA)和MXene可在3天内形成水凝胶，成胶时间的延长主要是因为单体的多取代基（如甲基、酯基等），同时油溶性单体和水溶性MXene存在分子尺度的不相容性，这些都削弱了交联网络间的分子间作用力。