离子掺杂PEDOT:PSS湿法纺丝纤维的制备及应用

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导电聚合物是一类具有高度π-π共轭结构的光电子材料,在制造柔性、可打印、可穿戴的电子设备领域有着许多潜在应用。其中,聚(3,4-乙撑二氧噻吩)(PEDOT)在室温下具有高电导率并能与聚(苯乙烯磺酸盐)(PSS)形成稳定的水分散液,被认为是最具有发展潜力的导电聚合物之一。相较于2D薄膜,1D的纤维材料,在柔性、可集成、可编织等方面拥有天然的优势。湿法纺丝是连续宏量制备导电纤维的最主要的技术。在此背景下,经湿法纺丝制备的PEDOT:PSS纤维成为研究者们关注的对象,而PEDOT连续的刚性分子主链使其在可拉伸性和电导率间很难兼顾,也限制了 PEDOT:PSS纤维在柔性可穿戴电子领域里的大规模应用。因此,研制一种兼具可拉伸性和电信号检测与传输能力的高电导率的PEDOT:PSS纤维依然属于该领域的研究热点与难点。同时,可穿戴器件的使用过程中,不可避免地会遭受一些机械作外力与环境变化的影响。因此,机械稳定性和环境稳定性也是它们的一项重要指标。在本论文中,通过离子掺杂,实现了高伸长率和高电导率的PEDOT:PSS纤维的制备。此外,通过离子掺杂,还实现了具有不同表面微结构的高灵敏度PEDOT:PSS纤维和具有宏观螺旋形态的高电导率、高稳定性的PEDOT:PSS纤维的连续制备。首先,通过在水和乙醇组成的凝固浴中,添加各种金属盐与PSS进行静电络合,提出了一种连续制备具有高的拉伸伸长率和电导率的PEDOT:PSS湿法纺丝纤维的简单策略,并验证了其在可穿戴电子纺织品的潜在应用。值得一提的是,由此方法制备的Li+掺杂PEDOT:PSS纤维具有超过50%的断裂伸长率。同时,在掺杂的纤维内部也检测到了特殊的各向异性结构,阐述了 Li+掺杂同时提高拉伸伸长率和电导率的机理。此外,所得纤维显示出良好的压力灵敏度和储能能力,为从分子取向层面调控PEDOT:PSS性能提供了新的思路。其次,受蜘蛛绒毛结构的启发,提出并实现了离子诱导自组装的策略,在PEDOT:PSS纤维连续大规模制备的同时构筑具有均匀阵列结构的纤维表面。具有绒毛形状的铜络合物在PEDOT纤维表面自发地形成,无需任何额外的后处理或苛刻的反应条件。得益于绒毛状阵列结构,仿生PEDOT:PSS-Cu2+纤维的比表面积比原始PEDOT:PSS纤维增加了近5倍,这赋予其良好的压力灵敏度,具有超低检测限(~82Pa)和快速响应时间(47 ms)。在此基础上进一步探究了该纤维在微气流检测、实时信息传输和重力/压力传感方面的潜在应用。更重要的是,在研究了多种金属离子共掺杂对PEDOT:PSS纤维表面结构影响的基础上,揭示了纤维表面微观结构的形成机制,为从纤维表面微结构设计层面来调控PEDOT:PSS性能提供了新思路。最后,受植物藤蔓结构启发,提出并实现了一种通过控制纺丝工艺制备具有螺旋结构的高机械稳定性和温度稳定性的PEDOT:PSS纤维的方法。通过在凝固浴中添加磷酸,实现了纺丝液在凝固时自发地形成螺旋结构,同时实现了磷酸对PEDOT:PSS的掺杂。这一过程在纺丝液与凝固浴发生双扩散时同步完成,无需任何额外的后处理。得益于纤维的螺旋结构,制备的仿生PEDOT:PSS螺旋纤维具有300%的断裂伸长率,在200%的应变范围内具有优异的电导率稳定性。由于PEDOT和磷酸-水的双载流子传输通道,纤维具有高达498.2S·cm-1的电导率并具有优良的耐拉伸、耐挤压和耐弯折性,磷酸的掺杂也拓宽了 PEDOT:PSS纤维稳定工作的温度区间。纤维的这些性能稳定性同样赋予了纤维基可穿戴器件的性能稳定性。由该纤维组装的纤维状超级电容器(FSC)具有高达86.2mF·cm-2的面积比电容,且受到拉伸、弯折、扭曲等机械作用时,依然能够保持电容的稳定。在环境温度变化时,该纤维制备的FSC也能表现出优良的稳定性能。最后,我们通过氯化钾与磷酸的共掺杂,得到了具有良好传感性能的PEDOT:PSS纤维,实现了将PEDOT:PSS纤维在具有高稳定性的超级电容器和具有优良灵敏度的柔性传感器之间的选择性应用。极大地拓宽了 PEDOT:PSS纤维的使用范围,满足了新一代纤维基柔性电子器件对电极材料的要求。
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