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清華深圳國(guó)際研究生院秦培武、山東大學(xué)于冬梅團(tuán)隊(duì) CEJ: 具有高度伸展性、透明度和自修復(fù)能力的溫度耐受全固態(tài)觸摸屏
2022-08-22  來(lái)源：高分子科技

  可拉伸的透明觸控板已經(jīng)獲得了大量的研究關(guān)注，其中水凝膠/離子凝膠的離子導(dǎo)體發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，水凝膠/離子凝膠通常有固有的限制。這些設(shè)備在高溫下會(huì)受到液體溶劑脫水或蒸發(fā)的影響，或者長(zhǎng)期暴露在露天環(huán)境中，這會(huì)使它們的離子傳導(dǎo)性和伸展性變差。水凝膠在實(shí)際使用中很容易變干，導(dǎo)致設(shè)備失效。水凝膠在低溫下會(huì)結(jié)冰，導(dǎo)致拉伸性和自愈能力的喪失，離子傳導(dǎo)性也會(huì)明顯下降。人們提出了一些策略來(lái)解決上述問(wèn)題，如在水凝膠中引入化學(xué)物質(zhì)或鹽類，可以延緩脫水，降低冰點(diǎn)，但不能完全防止脫水。水凝膠設(shè)備需要使用疏水材料進(jìn)行密封和包覆，以有效保留水分，然而，水凝膠/彈性體的強(qiáng)粘性需要復(fù)雜的程序。雖然離子凝膠由于其非揮發(fā)性、良好的熱穩(wěn)定性和離子傳導(dǎo)性，最近受到了極大的關(guān)注，但挑戰(zhàn)在于變形時(shí)的液體泄漏。因此，理想的可拉伸觸摸板將利用彈性體作為電氣化材料和電極。


  清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院秦培武副教授和山東大學(xué)于冬梅副教授團(tuán)隊(duì)受固態(tài)鋰離子電池的聚合物電解質(zhì)的啟發(fā)，合成了一種新型的無(wú)液體ICE，作為全固態(tài)自修復(fù)離子導(dǎo)體，分別通過(guò)鋰鍵和氫鍵承載鋰（Li）陽(yáng)離子和相關(guān)陰離子。這種材料具有高度的可拉伸性（25℃時(shí)單軸應(yīng)變可達(dá)997%）、透明性（可見(jiàn)光的透射率為93%）、抗凍性（-40℃）、熱穩(wěn)定性（高達(dá)270℃）、高導(dǎo)電性（25℃時(shí)離子導(dǎo)電率為8。8 ×10-3 Sm-1，在25 °C時(shí)），并且在很寬的溫度范圍內(nèi)（-20至60 °C）可以自愈，這是因?yàn)槎ㄒ叶迹┮颐驯┧狨ィ?/span>DEEA）和丙烯酸環(huán)己酯（CHA）的共聚物含有雙（三氟甲烷）磺酰胺鋰（LiTFSI）鹽。與以前的研究相比，本研究中合成的導(dǎo)電彈性體的機(jī)械和電氣性能允許在-20至60℃的溫度范圍內(nèi)自愈，同時(shí)保持高度透明的外觀以及拉伸性和導(dǎo)電性。這些ICEs在沒(méi)有任何外部刺激的情況下具有快速的自愈特性，并且具有出色的自愈效率。為了證明其實(shí)際應(yīng)用，他們構(gòu)建了一個(gè)高度可拉伸和透明的自愈合全固態(tài)表面電容式觸摸系統(tǒng)。這些可拉伸和自愈合的觸控板的功能通過(guò)書(shū)寫(xiě)文字、繪制圖形、玩電腦游戲和控制外部設(shè)備得到了證明。基于這種全固態(tài)觸控板，在較寬的溫度范圍內(nèi)（-20至60℃）開(kāi)發(fā)高度可拉伸、透明和可持續(xù)的人機(jī)界面是可行的和可以實(shí)現(xiàn)的。

 

圖1. 無(wú)液體ICEs的示意圖和物理特性。(a) 無(wú)液體ICEs的分子設(shè)計(jì)示意圖，它由P(DEEA-co-CHA)的交聯(lián)共聚物網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)鋰離子和相關(guān)陰離子組成。(b) 不同鹽濃度的ICE的ATR-FTIR。(c) 不同鹽濃度的ICE的XRD測(cè)試。(d) 0.5毫米厚的ICE薄膜的透射光譜。內(nèi)頁(yè)：照片顯示被1.5毫米厚的ICE薄膜覆蓋的QR碼。該二維碼可以很容易地被二維碼閱讀器識(shí)別。(e) C = 0.0、1.0、2.0和3.0M的ICE接觸角測(cè)試的照片。(f) ICE樣品在潮濕環(huán)境中的重量變化。(g) ICEs的TGA。插圖。溫度低于150℃時(shí)的TGA。(h) P(DEEA-co-CHA)的DSC曲線顯示，在F=0.2和C=2.0M時(shí)，玻璃轉(zhuǎn)化溫度約為-48℃。除非另有說(shuō)明，上述所有測(cè)試中LiTFSI的摩爾濃度都固定為C = 2.0 M。 


圖2. (a) ICE在-20、25和60℃時(shí)的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) ICE樣品在25和-30 °C下被彎曲和拉伸的照片。(c) ICE的TTS流變學(xué)。(d) ICE的DMA曲線。(e) ICE在25 °C下承受循環(huán)載荷的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(f) 殘余應(yīng)變和恢復(fù)率與加載/卸載周期數(shù)的關(guān)系圖。(g) ICEs在10、30和60 °C的Nyquist圖。(h) ICEs在-30、-20和-10℃時(shí)的Nyquist圖。(i) 在-30至120℃范圍內(nèi)，離子電導(dǎo)率是溫度的函數(shù)。


圖3. 2D ICE觸控板：位置感應(yīng)和操作。(a) ICE觸摸板的示意圖，其中α和β表示觸摸位置的兩個(gè)歸一化距離。(b)手指觸摸時(shí)ICE觸摸板的等效電路圖。(c) 透明ICE觸控板的照片。對(duì)面板的四個(gè)觸摸點(diǎn)（TP#1至TP#4）進(jìn)行調(diào)查，以揭示位置檢測(cè)的敏感性。依次觸摸TP#1至TP#4點(diǎn)，在溫度為-20℃（d）、25℃（e）和60℃（f）時(shí)，用四個(gè)電流表A1、A2、A3和A4測(cè)量電流I1、I2、I3和I4的時(shí)間。(g) 集成式ICE觸摸系統(tǒng)的示意圖。(h) 觸摸板通過(guò)控制器板集成到計(jì)算機(jī)中，建立一個(gè)觸摸系統(tǒng)。(i) 觸摸板被用來(lái)畫(huà)一個(gè)奔跑的人。


  以上成果近期發(fā)表在Chemical Engineering Journal上。論文的第一作者為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士后陳正林，通訊作者為秦培武副教授和于冬梅副教授。該項(xiàng)目得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，深圳灣實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目以及中國(guó)博士后基金項(xiàng)目的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138672

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（責(zé)任編輯：xu）
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