將導電填料和彈性聚合物材料相結合是開發柔性導體材料的重要途徑之一。爲獲得良好的導電性能和機械性能（如延展性和機械穩定性），通常需要將高含量的導電填料均勻分散于共價交聯的聚合物網絡中。因此，這類導電複合材料難以降解，導電填料的回收也極其困難，引起電子垃圾的增加以及環境汙染問題。
近日，尊龙凯时化学与环境工程学院周学昌教授课题组报道了一种制备高拉伸、可降解、可回收的高导电液态金属复合材料的简便方法。以室温液态金属纳米液滴交联的水凝胶为聚合物基质，液态金属微米液滴或者银微米片为导电填料，获得复合凝胶，再经过简单的干燥脱水处理，制备机械性能优异的导电复合材料。此外，由于以液态金属纳米液滴为交联点，该复合材料能够溶解于碱性水溶液中，而其中的导电填料也可回收利用。相关研究成果发表在Adv. Funct. Mater.（2024, 2308032,https://doi.org/10.1002/adfm.202308032）期刊上，其中2021級碩士研究生鍾定玲爲論文第一作者，甘田生博士和周學昌教授爲共同通訊作者。
複合水凝膠和脫水複合材料的制備與表征
液态金属纳米液滴与引发剂过硫酸铵（APS）协同引发单体2-羟乙基丙烯酸酯（HEA）的聚合，实现在2 min内快速凝胶化，形成聚合物液态金属复合水凝胶（图1a-d）。其中，液态金属纳米液滴通过表面的氧化物与聚合物链形成氢键，能够作为一种物理交联点增强凝胶的机械性能（图1e）。经过干燥处理后，复合材料的机械性能大幅增强，弹性模量和断裂应变从最初的12.7 kPa和340%分别提高到388 kPa和913%（图1f-g）。
图1. （a-d）复合水凝胶和脱水复合材料的制备；（e-g）力学性能表征。
導電複合材料的制備與表征
将银微米片作为导电填料引入液态金属纳米液滴交联的水凝胶中，再对所得的复合水凝胶进行脱水处理，即可制得高拉伸性和高导电的复合材料。脱水过程能够提升该复合材料的机械性能，而且，由于脱水引起的体积收缩，复合材料内部的银微米片会被挤压而相互联通，形成导电网络（图2a-d）。该复合材料的最大拉伸率可达到1400%，而电导率可达到1800 S/cm。这种复合材料可作为应变传感器监测人体运动。
以液態金屬微米液滴爲導電填料制備的複合材料，具有各向異性的雙層結構，其中一層富含液態金屬微米液滴，而另一層則主要由液態金屬納米液滴交聯的聚合物基質所構成（圖2e-g）。液態金屬微米液滴的加入，提升了複合材料的拉伸性能。在微米液滴富集層一側施加一定的作用力，可使液滴破壞，液滴內部的液態金屬流出，形成導電路徑。基于這一特征，可在該複合材料表面書寫導電線路，與其他電子元件結合，構建柔性電路。
圖2.（a-d）以銀微米片爲導電填料的複合材料的制備與應用；
（e-h）以液態金屬微米液滴爲導電填料的複合材料的制備與應用。
複合材料材料的降解以及導電填料的回收
由于液態金屬納米液滴作爲物理交聯點，當將複合材料浸沒于氫氧化鈉（NaOH）水溶液中，液態金屬納米液滴的氧化層會與NaOH反應，破壞了納米液滴與聚合物鏈間的氫鍵，從而破壞該複合材料的交聯網絡。因此，這些複合材料可以在NaOH水溶液中完全溶解（圖3）。而且，其中的導電填料可以分離出來，並且回收利用。液態金屬和銀微米片的回收率可分別達到79%和95%。
图3. （a-b）脱水复合材料的降解；（c-d）导电填料的回收
该研究为开发瞬态可回收柔性电子材料提供了新的思路。该工作得到了国家自然科學基金、广东省自然科學基金以及深圳市基础研究等项目的资助。
論文信息：D. Zhong, S. Shi, X. Yang, S. Handschuh-Wang, Y. Zhang, T. Gan,* X. Zhou,* Highly Stretchable yet Degradable and Recyclable Conductive Composites with Liquid Metal Nanodroplets as Physical Crosslinks. Adv. Funct. Mater. 2024, 2308032.
https://doi.org/10.1002/adfm.202308032
（来源 化学与环境工程学院）
