基于无机/有机的自修复导电高分子材料结构设计、制备及自修复机理研究

As a new kind of smart material, self-healing conductive polymer materials have unique advantages and performances by contrast with traditional conductive materials, and have been a hot point in polymer research area. However, the present self-healing polymers required high temperatures for self-healing and the mechanism is not clear. In this project, a new self-healing conductive polymer with “point-line-three dimensional” structure was designed by nano-supramolecular method. By controlling the morphology of nanoparticles and using glass temperature regulating techniques, we achieved a self repaired conductive polymer material with low self-healing temperature and high repair rate properties. Combined with experiment and nano-supramolecular effect theory, the nano effect of conductive nanoparticles on the self healing materials’ microstructure, physical-mechanical properties, electrical conductivity, repair temperature, and repair rates were studied especially. Therefore, we shed light on the internal relatives between the morphologies, surface structures, dosages of nanoparticles, polymer interface and repair rates of self-healing polymers. At the same time, through theoretical model, we illustrated the repair rate enhanced mechanism and provide some basic theory and method for design, manufacture, and research of self-healing conductive polymer.

自修复导电高分子材料作为一种新型智能材料，与普通导电高分子材料相比具有一些独特优点和性能，已成为高分子材料领域研究的热点，然而目前自修复导电高分子材料的修复温度较高以及自修复机理尚未明确。本项目通过纳米超分子技术设计出“点-线-体”三维互穿网络结构的自修复导电高分子材料，并借助纳米颗粒控制技术和超分子玻璃化温度调控技术，实现导电高分子材料的低修复温度和高修复率。结合试验和纳米超分子效应原理重点研究导电颗粒的纳米效应对材料的微观结构、物理力学性能、导电性能、自修复温度和修复率的影响；揭示纳米颗粒形貌、表面结构、用量和界面特征等因素与修复率之间的内在关联性，并结合理论模型阐明自修复导电高分子修复率提升的机理，为室温自修复导电高分子材料的设计、制造和研究提供理论基础和方法。

近年来，随着可穿戴装备、便携式设备、柔性显示器等器件的快速发展，其使用寿命及安全性也成为关注的热点问题之一。导电高分子材料是柔性压力传感器中最重要的核心材料，其力学性能、电学性能等参数的稳定性是目前研究的热点。本征型自修复技术是近年来发展起来并应用于高分子材料领域中的一种新技术，其主要原理是通过分子键的重新组合实现自修复。因此，自修复导电高分子材料得到广泛研究。然而，自修复导电高分子材料的研究面临着一个难题，即在保证自修复效率的基础上如何降低修复温度。为此，本项目采用导电纳米颗粒作为“点”，高分子链作为“线”，构建了“点-线-体”三维自修复体系。并借助纳米颗粒形貌控制技术和超分子的玻璃化温度控制技术，在保证了修复效率的同时，有效的降低了体系的修复温度。本项目深入研究了抗氧化的球型钴、花状钴和多面体的铁钴合金，揭示了导电纳米颗粒形貌与性能的调控机理。结合实验，阐述了纳米颗粒形貌、表面结构、用量等因素与修复率之间的内在关联性；结合导电通路模型和固态核磁技术，阐明自修复导电高分子材料压敏性能提升的机理，为室温自修复导电高分子材料的设计、制造和研究提供理论基础和方法。研究中发现采用二聚酸作为单体、二乙烯三胺和尿素作为交联剂进行聚合时，自修复高分子具有较高修复效率和较低的修复温度，修复后的力学性能达到原始状态的98%甚至更高。得到的自修复导电高分子封装成的压力传感器，具有较好的自修复性能和压敏性能，当导电纳米颗粒掺杂量达到28.5%时，电阻值达到欧姆级别。此外，本项目所采用的全新表征技术也适用于其他类型的本征型自修复高分子，可以为进一步研究自修复高分子材料提供参考。