深圳大学周学昌课题组JMCA：可回收、可焊接、抗疲劳液态金属弹性体
2021年4月27日 10:53室温液态金属（镓及其合金）是一类常温下呈液态的金属材料，因其兼具流体和金属导体的性质，近年来引起了研究人员的极大兴趣。其中，液态金属微纳液滴可作为一种新型的功能性流动填料添加到高分子材料中，形成液态金属液滴-高分子复合材料。此类复合材料在柔性电子、电磁屏蔽、热管理、健康医疗等领域具有潜在的应用前景。另外一方面，近年来的微塑料、电子垃圾等环境问题也引起了极大的关注。因此，从材料设计角度出发，探索可降解、可回收的环保型高分子复合材料较为迫切。近年来，深圳大学周学昌课题组在液态金属液滴制备、复合材料与应用、可回收循环利用等方面进行了一些探索性研究工作，主要包括：采用聚乙烯醇作为瞬态封装材料构建了一种基于室温液态金属的瞬态可回收的环境友好型柔性电子（Adv. Funct. Mater., 2019, 1808739）；使用石墨烯包覆液态金属液滴，制得一种具有高导电性的液态金属液滴，并成功应用于可活动、可回收、可变形的软接触电极及运动方向监控器件（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1706277）。这些前期探索工作主要解决了宏观尺度的液态金属图案和毫米级以上液态金属液滴的回收利用问题。然而，对于填充了微纳尺度液态金属液滴的复合材料，它的回收利用仍是一个挑战性的问题。
近日，深圳大学周学昌课题组通过采用Diels–Alder(DA)动态共价键交联的聚氨酯弹性体作为聚合物基底，以微纳米液态金属液滴作为功能性填料，制备了一种可回收的多功能柔性液态金属弹性体复合材料（图1）。
图1. 液态金属液滴聚氨酯弹性体复合材料的制备。
由于微纳米液滴是分散在高分子材料中，液滴之间是不连通的，因此该复合材料起初是电绝缘性的。文章提出了通过“机械训练”的方法，让液滴间形成稳定的连接通道，使材料获得导电性，从而实现了从绝缘体到导体的转变。经过“机械训练”后的导体可经受10000次的抗疲劳拉伸测试，且表现出优异的电学稳定性以及抗机械疲劳性。通过该方法还可以调控材料的区域导电能力，从而设计出出各项异性导电材料。此外，DA键的动态性质以及液态金属液滴的光热转化效应赋予了该材料具有光致可焊性，可实现电路的重构与修复。同时，利用DA价键可逆转化的特点，该复合材料可以完全溶解在高温溶剂中，释放出液态金属微纳米液滴。再通过离心等方式可以分离出液态金属微纳米液滴。最后利用液态金属液滴表面张力的可调控特点，微纳米尺度液滴汇聚成宏观尺度的液滴，从而实现了从复合材料中回收了微纳米液态金属液滴。
该工作提出了一种制备可回收高性能的液态金属弹性体纳米复合材料的简单策略。该策略在环境友好型柔性电子、可穿戴电子、各项异性导热导电材料等领域具有应用前景。论文第一作者为深圳大学与韩山师范学院联合培养博士后陈国康博士，通讯作者为深圳大学周学昌教授。该工作得到了国家自然科学基金、广东省基础和应用基础研究基金和深圳市深港创新圈联合研发项目的资助。
论文链接：
Recyclable, weldable, mechanically durable, and programmable liquid metal-elastomer composites
Journal of Materials Chemistry A, 2021, DOI:10.1039/D0TA11403K.
https://doi.org/10.1039/D0TA11403K
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