Stretchable and Healable Conductive Elastomer Based on PEDOT:PSS/Natural Rubber for Self-Powered Temperature and Strain Sensing 

基于PEDOT:PSS/NR的可拉伸可愈合弹性导体及其在自供电传感器上的应用

杨燕，赵国杰，程曦，邓华*，傅强*

       新型柔性可拉伸弹性导体的可穿戴电子设备的突破关键。弹性导体一方面要求材料能对特定的刺激响应，具有可拉伸性及耐用性。另一方面是实现弹性导体的自供电，即能从环境中收集能量给电子器件供电。利用热电效应将热能转化为电能是一种可行的方法。导电聚合物聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)兼具有优异的热电、导电性能，但PEDOT:PSS在柔性器件的应用受到其脆性的限制。在以往的研究中采用共混法对其进行改性，但由于PEDOT:PSS在共混物中处于分散相，所以无法实现导电性和拉伸性之间的平衡。本研究中，采用天然橡胶乳液（NRL）和PEDOT:PSS溶液共混的方法。选择NRL来作为改善PEDOT:PSS可拉伸性能的弹性体主要有以下三个原因：首先，NR胶乳颗粒分散在水中，可直接在PEDOT:PSS水溶液中混合分散。NR颗粒表面吸附了脂肪酸、蛋白质等极性物质，能够与PSS形成极性相互作用，保证两者的相容性。其次，NR颗粒尺寸（微米级）大于PEDOT:PSS胶体颗粒（纳米级），采用乳液颗粒组装成型的方法，NR颗粒有容易在共混物中构成隔离结构，有利于PEDOT:PSS导电网络的形成。最后，要想实现PEDOT:PSS的拉伸回复性能，复合材料需要更大的拉伸范围，同时需要对弹性体进行物理或化学交联。天然橡胶具有优异的弹性，并且可以通过化学交联来获得拉伸回复性能。

Fig.1 PEDOT:PSS-NR复合薄膜的制备方法

      实验结果表明，通过适当的二次掺杂处理，PEDOT:PSS-NR复合薄膜具有良好的导电性和拉伸性能。经过对PEDOT:PSS-NR共混物的工艺条件和性能的系统研究，这种简单且成本相对较低的方法可以将纯PEDOT:PSS的热电功率因子从13.7提高到20左右。10 wt.% PEDOT:PSS-NR复合薄膜，导电率高达87 S/cm，断裂伸长率保持在490%。

Fig.2 在不同PEDOT:PSS含量下复合薄膜的(a,b) 拉伸性能，(b)导电性和Seebeck系数，(c)功率因子。

Fig.3 （a）PEDOT:PSS-NR复合薄膜的在拉伸过程中的电阻变化，（b）10%,20%含量时不同应变下的I-V曲线。

Fig.4 100wt.% PEDOT:PSS-NR薄膜在不同拉伸应变下(a) 0%应变，(b)50%应变，(c) 100%应变的SEM图像。(d)拉伸应变下的形貌演变示意图

Fig.5 (a)用于自供电传感和测量的实验装置和等效电路。通过电路的热电电流响应温度刺激:(b)线性增加的温度梯度，(c)循环的温度波动。通过电路的热电电流响应应变刺激:(d)线性增加的应变，(e)30℃温度梯度下的循环拉伸曲线。

      相关成果以标题为”Stretchable and Healable Conductive Elastomer Based on PEDOT:PSS/Natural Rubber for Self-Powered Temperature and Strain Sensing”发表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。四川大学高分子学院的硕士研究生谢杨燕和博士研究生赵国杰为本论文共同第一作者，四川大学高分子学院的傅强教授，邓华教授为通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c00879

资料提供：杨燕

审核：吴凯

编辑: 张玮