丝素薄膜作为柔性衬底制备瞬态电子器件

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传统电子产品以刚性器件为主,具有优异工作性能的同时也存在着局限性,无法适应不平整的工作平面。近年来,可弯曲柔性电子的出现为电子学提供了新的发展方向。作为穿戴式设备中的新成员,它在无线通信、图像显示、运动传感、生物医疗、能源供给等领域应用广泛。柔性器件的构建方法主要是将导电基质比如金属纳米颗粒、碳基导电材料或者导电聚合物通过丝网印刷、3D打印的方法在柔性基底表面形成功能性的图案阵列。在此基础上,选择合适的衬底材料能够赋予器件可控降解的特性,减少了废弃电子的堆积污染,用于信息存储时提高了安全性,作为植入式医疗器件时可以避免二次手术带来的风险。本研究利用生物相容性良好、可控降解的丝素蛋白薄膜作为柔性瞬态器件的衬底材料,采取了三种方案致力于改善丝素薄膜的脆性,提高薄膜的断裂伸长率。首先,多糖是一类天然的生物可降解的有机高分子材料,来源广泛,成本低廉。考虑到多糖富含羟基、羧基和氨基基团的特性,我们尝试利用多糖与丝素蛋白的分子间相互作用制备柔韧性能良好的丝素蛋白多糖复合薄膜。实验结果表明,经过戊二醛交联的丝素蛋白壳聚糖复合薄膜,断裂伸长率高达20%,相比单一组分丝素蛋白薄膜的断裂伸长率有明提升。其次,本文通过调控丝素蛋白薄膜的厚度来改善薄膜脆性带来的影响,测试结果表明,随着丝素蛋白薄膜厚度的降低,薄膜断裂伸长率和拉伸强度逐渐提升,厚度为90μm的丝素蛋白薄膜断裂伸长率高达11.2%,薄膜的拉伸强度提升到82.47 MPa。最后,我们利用甘油作为塑化剂,提高了薄膜的柔韧性。为了抑制丝素蛋白薄膜受甘油影响而丧失水溶性,我们引入了钙盐,利用钙离子与丝素蛋白肽链间的金属络合作用以及钙盐能够结合水分子的特性,降低了薄膜的结晶度,进一步改善了薄膜的断裂伸长率,高达500%,致使薄膜在水中可以瞬间崩解。制备得到的含钙丝素蛋白甘油共混薄膜具有良好的绝缘性能,引入钙盐赋予了薄膜很强的粘合性能,粘合强度可达42 MPa,进一步证明了丝素蛋白薄膜在柔性瞬态器件的构建中有很大应用前景。
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