华南理工大学团队开发环境友好型聚亚胺弹性体用于柔性应变传感器

作者及发表信息
该研究由华南理工大学材料科学与工程学院Zhipeng Yang、Hongqiang Li（通讯作者）、Xingyu Mou等团队合作完成，成果发表于ACS旗下期刊《Macromolecules》（2023年11月29日出版，卷56，期23，页码9766–9777）。DOI: 10.1021/acs.macromol.3c02025。

学术背景
随着可穿戴电子设备的快速发展，柔性传感器因其轻量化、高灵敏度和宽检测范围的优势，在智能机器人、电子皮肤和健康监测领域应用广泛。然而，传统柔性传感器存在两大瓶颈：
1. 机械损伤问题：外力作用易导致传感器失效，缩短使用寿命；
2. 环境负担：废弃电子器件难以降解，造成污染。

为解决这些问题，研究团队提出开发一种兼具自修复性（self-healing）、可降解性（degradability）和可再加工性（reprocessability）的弹性体材料。聚亚胺（polyimine）因其动态亚胺键（imine bonds）的可逆特性成为理想候选，但现有材料的机械性能与功能兼容性不足。本研究旨在通过分子设计合成高性能聚亚胺弹性体，并应用于柔性应变传感器。

研究流程与方法

1. 弹性体合成与结构设计
- 原料：以聚醚胺（polyetheramine, PEA）为软段、己二酸二酰肼（adipic acid dihydrazide, ADH）为硬段，对苯二甲醛（p-phthalaldehyde, TA）和苯-1,3,5-三甲醛（benzene-1,3,5-tricarbaldehyde, TFB）为交联剂。
- 方法：采用一锅两步法在室温下合成聚亚胺弹性体（PE0.5-0.2），通过FT-IR和核磁共振（NMR）验证亚胺键形成（1642 cm⁻¹特征峰）。
- 微相分离结构：小角X射线散射（SAXS）显示硬段聚集形成纳米级微区（周期性12.8 nm），赋予材料高拉伸性（断裂伸长率1158%）与强度（拉伸强度2.51 MPa）。

2. 动态性能调控
- 自修复性：动态亚胺键和氢键协同作用，室温下24小时修复效率达96.0%（拉伸强度恢复至2.41 MPa）。
- 降解性：在0.1 mol/L HCl/DMAC溶液中，180分钟内完全降解为单体（FT-IR显示亚胺键峰消失，GPC检测分子量降至2260 g/mol）。
- 再加工性：80℃热压10分钟后，三次循环再加工的样品保留80.6%原始强度。

3. 柔性传感器制备与性能
- 导电材料：聚乙烯吡咯烷酮包覆液态金属（PVP@LM）作为导电层，通过浸涂法负载于弹性体表面。
- 传感机制：拉伸时液态金属微滴分离导致电阻变化，灵敏度（Gage Factor）在0–100%和100–300%应变区间分别为0.08和0.83。
- 自修复验证：传感器切断后室温修复24小时，导电性能恢复，可稳定监测人体关节运动（手指、肘部、膝关节）。

主要结果与逻辑关联
1. 机械性能优化：微相分离结构（SAXS数据）直接关联高拉伸性（1158%）与强度（2.51 MPa），为传感器基底提供力学基础。
2. 动态键设计：亚胺键的可逆性（FT-IR与降解实验）支撑自修复与降解功能，解决了传统弹性体不可回收的难题。
3. 传感性能验证：液态金属的流动性（SEM图像）确保大应变下导电通路稳定性，而弹性体自修复性使传感器寿命提升（200次循环测试δR/R₀波动%）。

结论与价值
1. 科学意义：提出了一种通过动态共价网络（dynamic covalent network）设计多功能弹性体的新策略，为环境友好型柔性电子材料开发提供理论依据。
2. 应用前景：材料可降解性（酸性条件完全降解）和液态金属回收（离心法）符合可持续发展需求，适用于可穿戴设备和电子皮肤。

研究亮点
1. 性能突破：首次实现聚亚胺弹性体室温自修复（96%效率）与快速降解（180分钟）的兼容。
2. 方法创新：一锅两步合成法简化工艺，避免高温/光照等外部刺激。
3. 跨学科应用：将动态化学与柔性电子结合，推动绿色电子器件发展。

其他价值
- 该研究获中国国家自然科学基金（22278162）和广东省自然科学基金（2023A1515011447）支持，相关技术已申请专利。
- 团队开发的PVP@LM导电墨水稳定性优异（48小时无沉淀），为液态金属在柔性电子中的应用提供新方案。

（全文约2000字）