聚多巴胺表面改性制备弹性导电复合材料及在导电通路中的应用

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弹性导电材料在弯曲或者拉伸等形变的情况下，依然能保持良好的导电性，且其形变具有可逆性，因而备受关注。基于其优异的性能，弹性导电材料在柔性器件、电子眼、智能传感器等方面得到很好的应用。材料上弹性聚合物易形变，而导电纳米材料确不具备形变能力，因而制备弹性导电材料，需将弹性聚合物和导电纳米材料进行复合。

设计导电材料在聚合物中的构造方式，实现在聚合物形变情况下导电纳米材料的有序排列，保持导电通路至关重要。为了构造这种可形变的导电结构，目前主要有三维网络结构，波浪结构等。三维结构中，主要是将导电纳米材料负载于三维基底中比如Ni泡沫、聚合物海绵等。为了增加其对导电纳米材料的负载能力，需要对其表面通过聚合反应增加其粘结力，所需大量有机溶剂，过程比较复杂。

多巴胺可以在碱性水溶液在室温下聚合形成聚多巴胺分子，且聚多巴胺对纳米材料具有很高的粘结力，制备过程无需有机溶剂、高温等。因此在此利用聚多巴胺对PU泡沫、PU薄膜进行表面改性，增加对导电纳米材料粘结力，制备两种性能优异的弹性导电纳米材料。

本文基于PU海绵的三维网络结构，利用多巴胺调控PU与纳米材料的界面粘结力，后负载银纳米线，构筑三维网络导电结构，并将此结构负载于聚二甲基硅氧烷形成性能优异的复合材料。此外对PU薄膜进行表面改性后，利用预拉伸技术在其表面形成波浪状的银纳米线薄膜，进而制备了PU/AgNWs复合材料。实验发现复合材料具有优异的弹性导电性能并且可以多次重复。作为一个简单应用，将弹性复合材料作为导线构造了个简单的导电通路。

1  三维网络基底弹性导体的微结构调控

以PU 泡沫为三维网络基底，利用聚多巴胺调控高分子与纳米材料的界面粘结力，通过吸附控制导电材料的微结构，从而获得三维高导电的AgNWs/AgNPs弹性导体。该PU海绵首先由聚多巴胺改性，以提高其对导电纳米材料的吸附能力。将改性的PU海绵浸渍在AgNWs溶液中使其被AgNWs包覆，随后将AgNPs溅射在样品表面以提高其导电性，便得到三维导电结构的弹性导体(见图1)。在第一个拉伸、弯曲测试周期内，PDA-PU-AgNWs-Ag-PDMS弹性导体的电阻明显下降，但在后续的1000次循环周期内电阻保持稳定。此复合材料具有优异的导电性(超过27.78 S cm^-1)和电学稳定性(在50%高拉伸形变下)。作为一个简单的应用，将PDA-PU-AgNWs-Ag-PDMS弹性导体作为导线与发光二极管(LED)、电池等组成一个可拉伸电路。在复合材料弯曲、缠绕、拉伸形变下，LED灯保持发光且亮度基本不变证明了该导体显著地电学力学性能。

2  表界面改性及预拉伸实现弹性导体的波浪状微结构

基于“预拉伸”技术，利用多巴胺增加PU薄膜的表面粘结力后沉积AgNWs制备性能优异的弹性导体。PU薄膜表面的聚多巴胺分子层创造了一个高度亲水的表面，增强了对AgNWs的吸附。当释放应力后，PU薄膜表面形成了一层均匀的“波浪状”的导电层。浸润PDMS液体固化，获得了PU-AgNWs-PDMS弹性导体，该导体分别经过1000次拉伸到20%的拉伸测试和弯曲到3 mm弯曲直径的弯曲测试后电阻仅仅发生了轻微的变化保持在0.95 Ω (见图2)。当伸长率达到50%时，导体的电阻为5.4 Ω，进一步的证明了PU/AgNWs/PDMS弹性导体显著的拉伸性能。在应用方面，将此弹性导体与LED灯等构造一个导电通路，在导体形变下LED能够保持发光。弹性导体拉伸条件下基于简单的“波浪状”结构，以AgNWs为基础的弹性导体在灵活的电子装置的发展中可以起到重要的作用。