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新加坡國(guó)立大學(xué)歐陽(yáng)建勇教授課題組《Sci. Adv.》:鹽引起的本征導(dǎo)電聚合物的韌塑化和其電阻對(duì)應(yīng)變的不敏感行為
2022-11-27  來(lái)源:高分子科技

  高機(jī)械強(qiáng)度與高機(jī)械延展性對(duì)材料的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。但是,一個(gè)材料通常不能同時(shí)擁有這兩個(gè)高性能。提高材料的機(jī)械延展性通常會(huì)降低其機(jī)械強(qiáng)度?朔䴔C(jī)械強(qiáng)度與延展性之間的矛盾始終是所有材料的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。可以提高延展性但是不降低機(jī)械強(qiáng)度的方法叫做韌塑化,只有少數(shù)合金材料可以韌塑化。高分子材料可以通過(guò)塑化來(lái)提高其機(jī)械延展性,但是塑化會(huì)顯著降低其機(jī)械強(qiáng)度。在文獻(xiàn)里還沒(méi)有關(guān)于高分子材料的韌塑化的報(bào)道。


  最近,新加坡國(guó)立大學(xué)歐陽(yáng)建勇教授課題組首次報(bào)道無(wú)機(jī)鹽引起的聚(3,4-乙烯二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)的韌塑化(圖1)。他們發(fā)現(xiàn)在乙二醇處理的PEDOT:PSS膜中加入高氯酸鈉,可以將PEDOT:PSS的斷裂伸長(zhǎng)率從低于10% 提升至53.2%,同時(shí)保持其高拉伸強(qiáng)度(~21 MPa)。


1. A)對(duì)PEDOT:PSS進(jìn)行處理的示意圖。(BPEDOT:PSS, a-EG/PEDOT:PSS NaClO4/PEDOT:PSS的應(yīng)力應(yīng)變曲線。a-EG/PEDOT:PSS以及不同濃度NaClO4處理a-EG/PEDOT:PSS的(C)應(yīng)力應(yīng)變曲線及(D)抗拉強(qiáng)度和韌性與其斷裂伸長(zhǎng)率的關(guān)系。


  該方法也可以用于經(jīng)過(guò)酸或有機(jī)分子后處理的高導(dǎo)電的PEDOT:PSS的韌塑化。此外,使用其他的無(wú)機(jī)鹽,比如NaCl,同樣可以引起高導(dǎo)電的PEDOT:PSS的韌塑化。而且,韌塑化后的PEDOT:PSS具有良好的彈性回復(fù)率(圖2)。


2.a)韌塑化PEDOT:PSS的彈性回復(fù)率。(b)韌塑化PEDOT:PSS的彈性回復(fù)率與小分子增塑或彈性體共混的PEDOT:PSS之間的比較。


  韌塑化PEDOT:PSS同時(shí)具有優(yōu)良的電學(xué)性能。其電導(dǎo)率可以達(dá)到538 S cm-1(圖1),且其電阻對(duì)應(yīng)變不敏感。在拉伸率達(dá)30%的循環(huán)拉伸試驗(yàn)中,其電阻僅增加約6%(圖3d)。對(duì)應(yīng)變不敏感的電阻行為非常有利于其在柔性電子學(xué)方面的應(yīng)用。



3.A)韌塑化PEDOT:PSS的電導(dǎo)率與高氯酸鈉溶液濃度的關(guān)系。韌塑化PEDOT:PSS在(B)單次拉伸及(D,D)循環(huán)拉伸過(guò)程中的電阻變化。


  他們提出韌塑化的機(jī)理是由于無(wú)機(jī)鹽的正負(fù)離子與PEDOT:PSSPEDOT+與的PSS-相互作用降低了PEDOT:PSS高分子鏈之間的庫(kù)倫相互作用,從而提升其拉伸性能(圖4)。同時(shí),因?yàn)樵?/span>PEDOT:PSS中的共軛的PEDOT網(wǎng)絡(luò)保持穩(wěn)定,所以其拉伸強(qiáng)度幾乎沒(méi)有改變。


圖4. 無(wú)機(jī)鹽韌塑化PEDOT:PSS 的機(jī)理圖示。


  提高導(dǎo)電高分子的機(jī)械延展性很有實(shí)際意義。導(dǎo)電高分子由于其共軛主鏈結(jié)構(gòu)及離子間的庫(kù)倫相互作用,其機(jī)械延展性比較差。目前,提升導(dǎo)電聚合物延展性的方法包括使用小分子增塑和與彈性體共混。雖然這些方法可以提高其機(jī)械延展性,但是同時(shí)會(huì)顯著降低其機(jī)械強(qiáng)度。這是首次發(fā)現(xiàn)高分子材料的韌塑化。該工作以Salt-induced ductilization and strain-insensitive resistance of intrinsically conducting polymer為題發(fā)表于《Science Advance》。文章第一作者是何昊博士,通訊作者是歐陽(yáng)建勇教授。


  全文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8160

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