高机械强度低共熔聚合物的制备及应用于纸基电致发光器件

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随着人们环保意识的提升,传统以聚酯作为柔性基材的的柔性电子材料无法满足人们对于环境保护的需求,以绿色可降解的纸张作为柔性基材的纸基导电材料吸引了大量研究学者的关注。纸基导电材料通常采用纸张与导电材料进行复合,在现有的导电材料研究中,制备工艺简单、绿色环保且高度可设计的可聚合低共熔溶剂(Polymerizable deep eutectic solvent,PDES)类导电材料更符合人们对于环境保护的要求,因此,人们对于PDES类导电材料做了相关研究,但现有报道的一些低共熔聚合物其力学性能较差。因此,本文从高度可设计的PDES单体出发,通过提高其氢键交联密度和引入双网络结构的方法制备了具有高机械性能、良好的离子导电性、优异的光学性能以及自修复性能的低共熔聚合物,将其应用于纸基电致发光器件中。具体研究内容如下:(1)基于提高氢键交联密度的策略,实验中我们选取具有多氢键结合位点的柠檬酸二氢胆碱(CDC)作为氢键受体,丙烯酸(AA)作为氢键供体,通过原位光聚合的方式制备了具有优异机械性能的低共熔聚合物。CDC具有多个氢键位点,可以在低共熔聚合物体系中形成更多的氢键交联网络,通过改变CDC相对含量可以调节低共熔聚合物的力学性能和电学性能。结果表明,AA/CDC型低共熔聚合物不仅具有高的机械性能(拉伸强度为2.9 MPa),还具有优异的光学(光学透过率为93.5%)和电学(离子电导率为2.8*10-3 S/m)性能。我们将AA/CDC型低共熔聚合物制备成应变传感器,在3000次大角度循环弯曲过程中,其电学性能保持稳定。(2)基于氢键和静电相互作用的协同策略,我们将2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸(AMPS)引入到丙烯酸/氯化胆碱(AA/Ch Cl)低共熔体系中,在紫外光源下发生自由基聚合反应形成具有高机械强度、快速自修复的透明离子导电弹性体(ICE)。AMPS单体中的磺酸基团可以与氯化胆碱之间形成静电相互作用和氢键相互作用,增强弹性体网络中的氢键密度,使得我们的ICE弹性体材料具有优异的机械性能和良好的自修复能力。结果表明当AMPS单体添加量为PDES单体摩尔质量的15%时,透明导电弹性体ICE的最大拉伸应变为~870%,最大断裂强度为~5.7 MPa。与未添加AMPS的PDES单体相比,其拉伸应变提升了0.7倍,断裂强度提升约了5.7倍,同时还具有高透明度(~92%的透光率)、优异的离子电导率(0.2*10-2~0.7*10-2 S/m)和自修复性能(在60°C条件下,自修复4h的效率为86.5%。(3)选取ChCl/AA/AMPS型PDES作为导电墨水。利用丝网印刷涂布,经过原位光聚合工艺制备耐弯折且可拉伸的PDES基导电纸。利用丝网印刷和浸泡方式将PDES导电墨水渗透进纸张的内部,PDES导电墨水中的羧基、磺酸基与纸张内纤维素上的羟基之间形成可逆氢键相互作用,提高纸张的机械强度和拉伸应变。结果表明,PDES离子导电墨水的粘度为46~72 mpa·s、电导率为3.67~4.05 S/m,所制备的PDES导电纸具有高的机械强度(拉伸强度为17.3 MPa)和良好的循环稳定性,在5000次150°大角度循环弯曲过程中具有稳定重复的电信号变化,将PDES导电纸应用于电致发光设备中可以实现图案的个性化定制。
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