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北京科技大學(xué)查俊偉 AM：受含羞草啟發(fā) - 動態(tài)可持續(xù)聚酰亞胺電介質(zhì)薄膜
2022-11-04  來源：高分子科技

  電介質(zhì)聚酰亞胺作為絕緣材料在電力系統(tǒng)和電子設(shè)備中普遍存在。高溫、高壓和高場強等惡劣環(huán)境下長期應(yīng)用，需要動態(tài)聚酰亞胺來應(yīng)對電氣或機械損傷等不可逆失效過程。其中，需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題在于如何對剛性聚酰亞胺的分子結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，以實現(xiàn)動態(tài)可逆特性。



  日前，北京科技大學(xué)查俊偉教授課題組設(shè)計了一種低分子量聚酰亞胺基因單元，通過與聚酰亞胺連接酶動態(tài)交聯(lián)來制備智能薄膜。有趣的是，由于基因單元和連接酶組合的可變性，通過“含羞草”仿生策略，將聚酰亞胺設(shè)計為軟硬結(jié)合的三種形式，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。同時，薄膜具有良好的降解效率、優(yōu)異的可回收性和可修復(fù)性，并且可重復(fù)使用。從含羞草仿生的角度出發(fā)，將簡單的聚酰亞胺基因單元與連接酶交聯(lián)制備高強度、耐高溫動態(tài)聚酰亞胺的設(shè)計思路，為電氣電子聚酰亞胺的可持續(xù)發(fā)展提供了良好的科研基礎(chǔ)和明確的案例。


  含羞草的葉子一旦被觸摸就會立即合攏。從本質(zhì)上說，它會本能地通過調(diào)節(jié)超分子網(wǎng)絡(luò)切換到相互連接、緊密的組織狀態(tài)，以增加葉片在暴露于外部刺激或感知危險時的硬度。以含羞草行為特性為靈感，成功制備了三種不同硬度和柔軟度的聚酰亞胺薄膜，以適應(yīng)不同的惡劣環(huán)境。HTPI/80 ℃和HTPI/260 ℃薄膜含有高度移動的HDCN動態(tài)結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的可逆PHT動態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，可發(fā)生可逆相互作用，使薄膜在一定的壓力和溫度下修復(fù)。被修復(fù)的HTPI/260 ℃薄膜仍具有較好的力學(xué)性能、較高的熱穩(wěn)定性、良好的機械性能、優(yōu)異的抗電暈性和絕緣特性恢復(fù)能力。柔韌性較好的HTPI/200 ℃薄膜在濕度為80%時作為濕度傳感器的響應(yīng)和恢復(fù)時間分別為~ 0.15 s和~ 0.74 s。其中水分去除過程中的恢復(fù)時間長于水分供給過程中的響應(yīng)時間。此外，進一步設(shè)計了可視化的電子元器件，通過簡單的實驗演示，展示了HTPI/200 ℃薄膜組裝器件驚人的可回收性。此外，如何在不破壞碳纖維(CF)特性的情況下，從碳纖維增強復(fù)合材料(CFRCs)中回收CF是一個常見的挑戰(zhàn)。CF可回收的前提是CF表面樹脂完全降解，同時保持原有CF的高性能，包括表面光滑、機械性能穩(wěn)定和化學(xué)結(jié)構(gòu)不變。HTPI/260 ℃作為CFRC的基體可以完全降解而不會對CF造成明顯的缺陷，在不犧牲CF性能的情況下對CF進行多次回收將帶來巨大的經(jīng)濟效益。 


聚酰亞胺基因單元和薄膜的概念設(shè)計、結(jié)構(gòu) 


動態(tài)聚酰亞胺薄膜的可修復(fù)能力 



動態(tài)聚酰亞胺薄膜的濕度傳感器應(yīng)用和可回收性 


碳纖維-動態(tài)聚酰亞胺薄膜復(fù)合材料的應(yīng)用和可回收性


  作者提出了材料合成過程中“基因組合”的創(chuàng)新思路，并基于含羞草的生物啟發(fā)制備了一種新型動態(tài)聚酰亞胺材料。與材料基因組工程不同的是，該思路是面向?qū)嶋H材料生產(chǎn)和制備而提出的。這種軟硬結(jié)合的聚酰亞胺在任何應(yīng)用場景下都可以降解、可修復(fù)、多次循環(huán)利用。綜上所述，該多功能聚酰亞胺仿生設(shè)計策略可為后續(xù)智能剛性樹脂材料的制備提供基本思路，也將推動聚酰亞胺在智能絕緣領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。本工作近期以“Dynamic Sustainable Polyimide Film Combining Hardness with Softness via a “Mimosa-like” Bionic Strategy”為題發(fā)表于Advanced Materials (Doi:10.1002/adma.202207451)上。第一作者為北京科技大學(xué)萬寶全博士，通訊作者為北京科技大學(xué)查俊偉教授。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202207451

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