基于脂肪族聚碳酸酯和聚合物深共晶溶剂的新型导电弹性体,用于柔性可穿戴传感器

《European Polymer Journal》:New conductive elastomers based on aliphatic polycarbonate and polymeric deep eutectic solvent for flexible wearable sensors

【字体: 时间:2026年02月12日 来源:European Polymer Journal 6.3

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  基于生物可降解的APC与离子导电的PDES构建绿色导电弹性体,兼具高机械性能(拉伸强度89.8 kPa,断裂延伸率219.1%)、优异自愈性(应变/应力自愈效率达85.9%/82.4%)、宽温域稳定性(玻璃化转变温度-6.70°C,热分解温度247.39°C)及高灵敏度传感特性(GF值5.68)。该材料为可穿戴健康监测设备提供新解决方案。

  
顾盼盼|陈东树|张睿|徐晓旭|程德宏|王白|胡建社
辽宁大学化学工程与机械学院,中国丹东118001

摘要

导电弹性体由于在柔性电子和健康监测应用中的巨大潜力而受到了广泛的研究关注。在这项研究中,成功制备了一种基于脂肪族聚碳酸酯(APC)和聚合物深共晶溶剂(PDES)的新型绿色导电弹性体(APC-PDES)。所获得的APC-PDES弹性体展现了满足应用需求所需的机械性能,其断裂应力为89.8 kPa,断裂伸长率为219.1%。此外,该弹性体具有较低的玻璃化转变温度(-6.70°C)和良好的热稳定性,分解温度为247.39°C。而且,这种弹性体具有出色的自修复能力,在应变范围为0–200%时,自修复效率分别达到85.9%(对于应变)和82.4%(对于应力);当将其用于柔性传感器时,能够实时监测人体关节运动和微表情,并显示出高灵敏度(量程因子从1.75增加到5.68)。此外,这种弹性体作为生物电极时,还能获取清晰稳定的心电图信号。这项研究为未来检测人体运动和健康状况提供了新的思路。

引言

近年来,物联网的快速发展推动了对可穿戴和柔性电子产品的需求不断增加,这些产品能够与人体无缝接口[1],[2]。作为将机械刺激转换为电信号的关键元件,柔性传感器需要在弯曲、拉伸和压缩等复杂变形条件下可靠地工作[3]。然而,传统的微机电系统传感器通常建立在刚性基底上,这会导致机械不匹配、适应性受限以及在需要与柔软、弯曲和动态移动的表面紧密接触时信号输出不稳定[4],[5],[6]。相比之下,基于软材料的柔性传感器能够在较大变形下保持稳定的信号传输,从而在可穿戴设备、柔性电子和智能纺织品中得到广泛应用[7],[8],[9]。
脂肪族聚碳酸酯(APCs)因其优异的生物相容性和可降解性而受到广泛关注[10],[11],[12],[13]。同时,通过功能性环状碳酸酯对APCs进行结构改性,可以实现可编程的侧链相互作用和超分子组装[2]。这些特性使基于APCs的弹性体具有较大的拉伸性、弹性恢复能力、形状记忆行为和自修复能力,这些都是柔性传感器系统非常需要的[14],[15],[16],[17]。然而,APCs本质上是绝缘的,如何在保持其柔软性、机械强度和生物友好性的同时引入导电性仍然是一个挑战。
深共晶溶剂(DESs)是一类由氢键供体和氢键受体组成的共晶体系,由于其几乎为零的蒸气压、低成本和可调的物理化学性质,被广泛认为是离子液体的绿色替代品[18],[19],[20]。DESs作为可持续介质和功能组分在软材料中得到了越来越多的研究,因为它们密集的氢键网络可以同时提供离子溶剂化和动态相互作用[21],[22],[23],[24],[25]。最近,由可聚合DES前体制备的聚合物深共晶溶剂(PDES)凝胶已成为无液体离子导电弹性体的有前景的平台,这可以解决凝胶基离子电子学中常见的脱水和液体泄漏问题[26],[27],[28],[29]。例如,Wang等人将甘油引入PDES网络中,制备出了具有良好生物相容性的自修复多功能聚合物纤维传感器[30]。此外,可聚合DES单体的快速光引发共聚反应实现了高强度和高拉伸性的透明自修复导电弹性体[31]。尽管取得了这些成就,但一个关键限制仍然存在:大多数基于PDES的导电弹性体依赖于单一的PDES网络来同时承受机械载荷和支持离子传输,这限制了机械可编程性、长期界面稳定性和生物降解性的独立调节,而这些对于可穿戴生物接口至关重要。
在这里,我们通过将PDES凝胶与线性APC聚合物结合,采用简单的溶剂蒸发策略制备了一种新型绿色导电弹性体(APC-PDES),以解决这一难题。将APC与PDES结合的核心动机在于它们的结构互补性:APC提供了一个可降解且可机械编程的弹性体框架[10],[11],[12],[13],[14],[15],[16],[17],而PDES则提供了内在的离子导电性和丰富的氢键基团[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27],[28],[29]。我们假设APC和PDES中的羧基基团与PDES组分中的离子物种共同构建了一个密集而动态的非共价相互作用网络,从而在增强机械完整性的同时实现连续的离子传输路径和快速自修复。因此,APC-PDES弹性体表现出出色的机械性能、高灵敏度和热稳定性,能够可靠地监测大规模人体运动和微妙的生理信号。除了单一材料的展示外,这项工作还建立了一种环保且可扩展的复合路线,将离子传输与弹性体可编程性分离,为可持续离子电子材料、长期生物监测和人机交互提供了广泛适用的设计原则。

材料

N,N-二甲基甲酰胺(DMF,≥99%)、2,2-二羟基甲基丙酸(DMPA,≥99%)和四氢呋喃(THF,≥99%)由天津大茂化工试剂厂提供。甲氧基聚乙二醇(mPEG,99.8%)由Alpha Chemical提供。辛酸亚锡(99.8%)、丙烯酸(≥98%)、氯化胆碱(≥98%)和2-羟基-4-(2-羟基乙氧基)-2-甲基丙酮(光引发剂2959,纯度≥98%)由Sigma Aldrich提供。苄氯(≥98%)由...

设计与结构表征

为了优化导电弹性体DP的相关性能,首先合成了碳酸酯单体MBC、MCC和聚合物APC(方案S1)。图1a展示了DP的制备过程。所得单体和聚合物的分子结构通过FTIR和1H NMR进行了确认。HBM、MBC、APC和PDES的FTIR光谱如图S1所示。如图1b所示,3400 cm?1处的吸收带来源于–OH基团的伸缩振动。

结论

总结来说,本研究提出了一种设计绿色导电弹性体的策略,该弹性体具有良好的机械稳定性、温度响应性、自修复能力和高灵敏度(最大量程因子GF = 5.68)。DP3弹性体在室温下修复10分钟后,应变恢复率为85.9%,应力恢复率为82.4%,并具有明显的温度响应性,具有潜在的温度传感应用前景。

CRediT作者贡献声明

顾盼盼:撰写 – 原始草稿、验证、方法学、研究、数据管理、概念化。陈东树:撰写 – 原始草稿、验证、方法学、研究、数据管理、概念化。张睿:方法学、研究、数据管理、概念化。徐晓旭:验证、数据管理。程德宏:王白:可视化、监督、资金获取。胡建社:撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了辽宁省科技计划重点项目(2025JH2/101800411)、辽宁省科技计划技术研究项目(2024JH2/102600138)、辽宁省联合科技计划(2025-MSLH-679)以及中华人民共和国应急管理部重点科技计划(2025EMST130901)的资助。
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