摘要：可穿戴電子器件在生命體征監控、人機交互等領域展現了廣闊的應用前景，發展迅猛，同時對材料也提出了越來越高的要求，可拉伸、彈性的導電材料成為其中磅礴興起的熱點方向。電子設備的使用壽命有限，它們在使用過程中不可避免地會發生損壞并喪失功能，成為電子垃圾。随着可穿戴電子器件越來越廣泛的使用，給環境造成的污染日益嚴重，亟待解決。據此，bevictor伟德官网遊正偉教授團隊研制了基于Diels-Alder 協同反應的新型可重塑、可降解的動态交聯彈性高分子，進而通過納米複合，構築了具有良好韌性和拉伸性的導電彈性體，其可3D打印便捷定制可穿戴電子器件，特别是可以通過3D打印實現直接高效回收和同步加工再利用，為解決日益嚴重的電子垃圾問題提供了新材料新思路。 相關研究工作近期以《Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics》為題發表于材料學著名國際學術期刊Advanced Functional Materials，bevictor伟德官网材料學院博士生郭一凡和陳碩為共同第一作者，遊正偉教授為通訊作者。

可降解、可重塑彈性高分子（PFB）的構建

該工作設計的關鍵是具有良好的動态性的聚酯彈性體PFB。PFB通過呋喃和馬來酰亞胺結構之間的Diels–Alder環加成反應實現動态交聯，由于環加成反應屬于協同反應，具有高的特異性，因此PFB在環境下可以保持持久的動态性，具有良好的熱塑性，可以通過3D打印工藝便捷地加工和回收利用。相比之下，目前大量使用的基于離子和自由基反應的可逆交聯體，其中間體容易被水分、氧氣等淬滅，因而不宜長期使用。并且PFB同時具有可降解性。電子器件的回收循環數量有限，降解仍然是電子垃圾的最終解決方案。可回收電子産品的可降解性此前研究甚少。本工作選擇酯鍵來構建聚合物的主鍊，一方面其具有良好的熱穩定性，PFB分解溫度超過300℃，而同時酯鍵又具有良好的水解和酶降解性能，使其具有方便的環境和生物降解性。由此構建的電子産品能夠将可回收性和可降解性結合，有望大大減少由其産生的電子垃圾對環境的影響。

圖1. 可降解、可重塑彈性高分子（PFB）的設計及其動态性表征

導電複合彈性體的研制

将PFB彈性高分子與納米導電填料碳納米管、銀納米片和炭黑複合研制了彈性導電複合材料（PFBC）。當樣品拉伸100％時，PFBC電阻隻發生輕微變化，并且在循環拉伸過程中表現出良好的導電穩定性。因此PFBC有望适用于制備動态力學環境中使用的電子設備。回收的PFBC保持了其良好的力學性能和電導率（約100 S cm^-1）。韌性是表征材料力學性能的一個重要參數，材料的韌性越高，越不容易被破壞，越耐用。因此，高韌性材料是可穿戴電子産品的理想選擇。經過三次循環後，PFBC的韌性仍能保持在10.1 MJ m^-3，明顯高于已報道的用于可回收利用的電子器件的導電材料。此外，由于CNT等納米填料的存在，PFBC在近紅外光照射下，産生光熱效應，促進PFB中的Diels–Alder反應，從而使材料表現出良好的自修複性能。

圖2.導電納米複合彈性體PFBC具有良好的導電性、自修複性、加工性和回收性等綜合性能，為可穿戴電子器件的構築提供了理想材料。

首次報道3D打印可回收可穿戴電子器件

接着，本工作證實PFB/PFBC材料高效構築可回收電子器件的應用。通過3D打印直接回收再利用PFB/PFBC材料，依次制備了摩擦納米發電機（TENG），電容式壓力傳感器和柔性鍵盤，分别應用于能量收集設備、動作監測傳感器和可穿戴信号輸入器，顯示其廣闊的應用前景。

圖3. PFB/PFBC通過3D打印高效回收利用，構建多樣的可穿戴電子器件。

穩定性與降解性的有機結合

由于材料具有穩定的共價交聯結構，其制備的電子器件具有出色穩定性。上述三種電子器件在上千次的循環測試中均展現了穩定的電學信号。本工作以3D打印的壓力傳感器作為代表考察了器件的環境耐受性。分别在高溫（100 °C加熱1 h）（Ⅰ），高濕度（> 60％放置1個月）（Ⅱ），鹽水（Ⅲ）和乙醇（Ⅳ）浸泡24小時後進行測試，壓力傳感器的電信号均保持一緻，表明其具有良好的環境耐受性。更進一步的，通過酶解實驗，驗證了制備的電子器件的降解性，而此前報道的可回收電子器件的降解性一直被忽略。可回收利用和降解性的結合為電子垃圾問題的解決提供了新材料新思路。

圖4. 3D打印可穿戴電子器件良好的穩定性、環境耐受性及降解性。

該工作獲得了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、bevictor伟德官网勵志計劃等項目資助。

原文鍊接： Guo, Y., et al., Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics. Adv. Funct. Mater. 2020, 2009799. https://doi.org/10.1002/adfm.202009799

團隊主頁：http://pilab.dhu.edu.cn/zyou/main.psp

團隊簡介：遊正偉教授為纖維材料改性國家重點實驗室博導，任bevictor伟德官网複合材料系主任，中國紡織工程學會柔性電子生物醫用紡織材料科研基地主任。長期從事生物醫用彈性體、3D打印、及其在組織修複和醫用柔性電子領域應用的研究。發表SCI論文70多篇，其中近五年在National Science Review, Nature Communication, Advanced Materials等國際著名期刊（IF>10）發表通訊作者論文17篇。申請中國發明專利40多項，授權16項。成果被國家自然科學基金委員會出版的《Science Foundation in China》期刊、《中國科學報》頭版、國家新材料産業發展戰略咨詢委員會出版的《18年度新材料技術發展藍皮書》等專題報道。在歐洲材料研究學會年會、中國材料大會等重要學術會議上做主旨和邀請報告40餘次。擔任國際學術期刊《Smart Materials in Medicine》副主編、《Advanced Fiber Materials》和《中國材料進展》青年編委。