纳米纤维素模板构筑透明导电弹性体的复合网络结构调控与合成机理

Transparent conductive elastomer (TCE) with transparency, stretchability, resilience, and conductivity is becoming the core component of future flexible electronic devices. However, the most current TCE prepared by “membrane transfer technique” is facing problems, such as weak interfacial bonding, opacity, and poor mechanical performance, which limits the practical applications of TCE. Inspired by the cell wall structure of wood, the present proposal uses nanocellulose (NCC) as the nano-carrier of conductive silver nanowires (AgNWs) to build an elastic double network structure within polydimethylsiloxane (PDMS). On one hand, through “sol-gel” method, NCC is surface-modified by methyltrimethoxysilane to improve the interfacial compatibility between NCC and PDMS, leading to the first reinforcing skeleton network; On the other hand, via “biotemplating” approach, NCC is employed as the implant template to carry AgNWs, and assist AgNWs to be well-dispersed in PDMS, leading to the second network structure with high strength, excellent flexibility electrical conductivity. The effects of synthesis conditions on the TCE properties are investigated to clarify the mechanism of network formation, with the purpose of resolving the key scientific issue towards the synergistic effects of high transparency, nano-reinforcing, conductive functionalization of NCC-templated TCE, developing relative mechanism and technique.

透明导电弹性体（TCE）兼具透光、可拉伸、回弹和导电等特性，将成为未来柔性电子设备的核心组件。但是，目前通过膜转移技术制备的TCE存在界面结合力弱、光学透明度低和力学强度差等问题，难以满足实际应用需要。本项目受到木材细胞壁结构的启发，提出以纳米纤维素（NCC）作为导电银纳米线的载体材料，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）内部构建弹性复合网络结构：利用溶胶-凝胶法，对NCC表面进行甲硅烷基化修饰，改善与PDMS的界面相容性，构筑第一层增强骨架网络；同时，利用生物模板法，创建NCC与银纳米线的融合机制，将NCC作为银纳米线的植入模板，搭载其在PDMS中均匀分散，在NCC骨架网络基础上构建承载能力强、柔韧性好、微结构稳定的第二层导电网络。研究合成条件对TCE性能的影响规律，旨在阐明3D网络结合机理，解决NCC模板构筑TCE的高透光性、纳米增强和导电功能化协同作用的关键科学问题，丰富相关理论及技术方法。

透明导电弹性体（TCE）兼具透光、可拉伸、回弹和导电等特性，将成为未来柔性电子设备的核心组件。但是，目前通过膜转移技术制备的TCE存在界面结合力弱、光学透明度低和力学强度差等问题，难以满足实际应用需要。本项目受到木材细胞壁结构的启发，提出以纳米纤维素（NCC）作为导电银纳米线的载体材料，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）内部构建弹性复合网络结构：利用溶胶-凝胶法，对NCC表面进行甲硅烷基化修饰，改善与PDMS的界面相容性，构筑第一层增强骨架网络；同时，利用生物模板法，创建NCC与银纳米线的融合机制，将NCC作为银纳米线的植入模板，搭载其在PDMS中均匀分散，在NCC骨架网络基础上构建承载能力强、柔韧性好、微结构稳定的第二层导电网络。研究合成条件对TCE性能的影响规律，旨在阐明3D网络结合机理，解决NCC模板构筑TCE的高透光性、纳米增强和导电功能化协同作用的关键科学问题，丰富相关理论及技术方法。具体结果如下：对于结构拉伸型的PDMS/CNC-AgNWs/PDMS导电弹性体：（1）CNCs可通过与D-PDMS和AgNWs之间的相互作用获得均匀分布在D-PDMS表面的CNC-AgNWs导电层以得到高性能且均相的导电弹性体。（2）CNCs的引入的不仅对导电弹性体的导电性能与透光性的影响不大，并且当添加适量的CNCs时，导电弹性体的传感性能可以提高。当CNC的负载量为0.5％（CNC:AgNWs的质量比）时，PDMS/CNC-AgNWs/PDMS-0.5应变传感器的透光率高达78%，方阻约为13.5 Ω/sq，并且其GF值可达12.94，约为PDMS/AgNWs/PDMS-0的两倍（GF=6.93）。另外，这些措施还可以极大地提高基于AgNWs的结构拉伸型导电弹性体的力学和电学稳定性。PDMS/CNC-AgNWs/PDMS-0.5样品在不同的应变下（30%和60%）拉伸-释放循环5次后其力学性能没有显著变化，在30%的应变下拉伸-释放循环300次后其电阻响应依然非常稳定。（3）多层组装结构的PDMS/CNC-AgNWs/PDMS应变传感器可以显示出对人类身体各个部位肌肉运动以及对其表面上物体运动良好且稳定的响应性，并且能够可靠地识别复杂的手势与物体运动信号，表明该应变传感器装置具备高灵敏度和良好的可重复性。