在人工智能快速發(fā)展的背景下，柔性可穿戴電子設(shè)備對(duì)拉伸傳感材料的力學(xué)性能、環(huán)境適應(yīng)性和可持續(xù)性提出了更高要求。傳統(tǒng)聚合物基彈性體雖具備良好的力學(xué)性能，但存在不可回收、難降解的問題；而現(xiàn)有動(dòng)態(tài)鍵作用彈性體則受限于單一響應(yīng)機(jī)制，面臨彈性差、信號(hào)漂移等挑戰(zhàn)。聚硫辛酸（PTA）憑借可逆二硫鍵聚合特性展現(xiàn)出回收潛力，但其固有的低彈性和導(dǎo)電性限制了實(shí)際應(yīng)用，因此開發(fā)兼具可持續(xù)性與高性能的傳感材料成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

研究團(tuán)隊(duì)通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地合成了可回收聚硫化網(wǎng)絡(luò)彈性體Poly (TA-co-TAB)。該材料以硫辛酸（TA）為基礎(chǔ)單體，通過陽離子鏈修飾獲得陽離子型硫辛酸（TAB），再與PTA共聚形成共聚物。陽離子鏈的引入不僅通過增強(qiáng)靜電相互作用提升了材料彈性，還優(yōu)化了拉伸過程中的電學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了氫鍵與離子相互作用的協(xié)同效應(yīng)。材料表征結(jié)果顯示，Poly (TA-co-TAB)的拉曼光譜中，二硫鍵振動(dòng)峰從單體TA的511cm-1遷移至508和525cm-1，證實(shí)環(huán)狀二硫鍵成功轉(zhuǎn)化為聚合物線性二硫鍵；ATR-FTIR光譜表明共聚合后羰基伸縮振動(dòng)峰向高頻偏移，反映分子間離子鍵形成增強(qiáng)了酯鍵強(qiáng)度。凝膠滲透色譜（GPC）測(cè)定其數(shù)均分子量，元素分析驗(yàn)證了TAB的成功引入。該材料呈現(xiàn)無定形結(jié)構(gòu)，表面致密均勻，熱穩(wěn)定性優(yōu)于純PTA（熔點(diǎn)從59℃提升至97℃）。

圖1：材料合成與表征

Poly (TA-co-TAB)展現(xiàn)出卓越的綜合性能：其一，拉伸性能可調(diào)，通過調(diào)控TA與TAB的質(zhì)量比（7:1至15:1），伸長率可在360%至1700%之間調(diào)節(jié)，當(dāng)質(zhì)量比為11:1時(shí)達(dá)到最優(yōu)平衡，拉伸率可達(dá)1100%；其二，抗疲勞性測(cè)試更顯優(yōu)勢(shì)：在100%應(yīng)變下經(jīng)過1500次循環(huán)拉伸后，材料的最大應(yīng)力無顯著衰減，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的滯后環(huán)極??；即使在50%應(yīng)變下循環(huán)3000次，仍能保持穩(wěn)定的力學(xué)性能；其三，自修復(fù)能力突出，在室溫空氣中修復(fù)30分鐘或水下修復(fù)60分鐘即可恢復(fù)力學(xué)性能，60℃加熱4小時(shí)可實(shí)現(xiàn)91%應(yīng)力恢復(fù)、94.5%應(yīng)變恢復(fù)和87%韌性恢復(fù)，斷裂修復(fù)響應(yīng)時(shí)間僅96 ms。

圖2：Poly（TA-co-TAB）的機(jī)械拉伸和愈合性能

Poly (TA-co-TAB)的傳感靈敏度優(yōu)異，在0-100%、100-300%和300-400%應(yīng)變范圍內(nèi)，靈敏度（GF）分別為2.04、3.55和16.27，最小可檢測(cè)應(yīng)變?yōu)?.5%。響應(yīng)速度快且穩(wěn)定性強(qiáng)，響應(yīng)/恢復(fù)時(shí)間僅為117/108 ms，在100%應(yīng)變下經(jīng)過1500次循環(huán)拉伸后仍無明顯信號(hào)漂移，50%應(yīng)變下可穩(wěn)定循環(huán)3000次；同時(shí)具備高效電愈合性能，切斷后重新對(duì)接即可快速恢復(fù)導(dǎo)電與傳感功能，經(jīng)室溫空氣30分鐘、室溫水下60分鐘等不同條件愈合后，仍能在500次循環(huán)中保持穩(wěn)定信號(hào)輸出。

圖3：Poly（TA-co-TAB）傳感性與電愈合性能

該彈性體在柔性傳感與人機(jī)交互領(lǐng)域表現(xiàn)出廣泛應(yīng)用前景。將傳感器附著于人體關(guān)節(jié)（手指、肘部、手腕、膝蓋），可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)彎曲角度變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)追蹤；其高靈敏度使其能夠捕捉手腕處的脈搏信號(hào)，為生理監(jiān)測(cè)提供可能。

圖4：人體運(yùn)動(dòng)生理信號(hào)檢測(cè)

在人機(jī)交互應(yīng)用中，通過五個(gè)應(yīng)變傳感器組成的可穿戴系統(tǒng)，可將手勢(shì)信號(hào)通過藍(lán)牙傳輸至機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的遠(yuǎn)程操控，完成手勢(shì)模仿與物體抓取等動(dòng)作，為醫(yī)療輔助和危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)提供了新方案。

圖5：手勢(shì)檢測(cè)與人機(jī)交互

值得關(guān)注的是，Poly (TA-co-TAB)具備閉環(huán)回收特性。通過簡單的堿溶-酸提工藝，可實(shí)現(xiàn)82.19%的TA單體回收率?；厥蘸蟮膯误w經(jīng)表征與原始單體化學(xué)結(jié)構(gòu)一致，重構(gòu)的彈性體在力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度、循環(huán)穩(wěn)定性）和傳感性能（工作范圍、靈敏度、電學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性）上與原始材料基本持平，顯著提升了材料的環(huán)境可持續(xù)性。

圖6：閉環(huán)回收性能評(píng)估

綜上所述，該研究通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了聚硫辛酸基彈性體的性能突破，其兼具超拉伸性、高靈敏度、快速自修復(fù)和可回收性等多重優(yōu)勢(shì)，為柔性電子傳感器的高性能化與綠色化發(fā)展提供了新的思路與方案。未來，該材料有望在電子皮膚、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

文章詳情:https://doi.org/10.1002/adfm.202512794

審核編輯 黃宇