可穿戴電子器件在生命體征監控🦸🏽、人機交互等領域展現了廣闊的應用前景，發展迅猛，同時對材料也提出了越來越高的要求💇🏼‍♂️，可拉伸、彈性的導電材料成為其中磅礴興起的熱點方向。電子設備的使用壽命有限🏗🤷🏼‍♂️，它們在使用過程中不可避免地會發生損壞並喪失功能，成為電子垃圾。隨著可穿戴電子器件越來越廣泛的使用，給環境造成的汙染日益嚴重，亟待解決。

據此，意昂4平台材料科學與工程學院遊正偉教授團隊研製了基於Diels-Alder 協同反應的新型可重塑、可降解的動態交聯彈性高分子𓀔，進而通過納米復合，構築了具有良好韌性和拉伸性的導電彈性體，其可3D打印便捷定製可穿戴電子器件🤸🏽‍♂️，特別是可以通過3D打印實現直接高效回收和同步加工再利用，為解決日益嚴重的電子垃圾問題提供了新材料新思路。相關研究工作近期以《可降解完全可回收動態熱固性彈性體用於3D打印可穿戴電子器件》（Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics）為題發表於《先進功能材料》（Advanced Functional Materials），我校材料學院博士生郭一凡💬、陳碩為共同第一作者，遊正偉教授為通訊作者👱🏼‍♀️。

該工作設計的關鍵是具有良好的動態性的聚酯彈性體PFB✭。PFB通過呋喃和馬來酰亞胺結構之間的Diels–Alder環加成反應實現動態交聯，由於環加成反應屬於協同反應，具有高的特異性，因此PFB在環境下可以保持持久的動態性，具有良好的熱塑性✦，可以通過3D打印工藝便捷地加工和回收利用。相比之下，目前大量使用的基於離子和自由基反應的可逆交聯體，其中間體容易被水分、氧氣等淬滅，因而不宜長期使用。並且PFB同時具有可降解性。電子器件的回收循環數量有限🛌🏿，降解仍然是電子垃圾的最終解決方案👨🏿‍⚖️👐🏼。可回收電子產品的可降解性此前研究甚少🫶。本工作選擇酯鍵來構建聚合物的主鏈，一方面其具有良好的熱穩定性，PFB分解溫度超過300℃🧧，而同時酯鍵又具有良好的水解和酶降解性能，使其具有方便的環境和生物降解性。由此構建的電子產品能夠將可回收性和可降解性結合，有望大大減少由其產生的電子垃圾對環境的影響。

圖1.可降解、可重塑彈性高分子（PFB）的設計及其動態性表征

導電復合彈性體的研製

將PFB彈性高分子與納米導電填料碳納米管🪙、銀納米片和炭黑復合研製了彈性導電復合材料（PFBC）🧎‍♂️。當樣品拉伸100％時，PFBC電阻只發生輕微變化，並且在循環拉伸過程中表現出良好的導電穩定性🏄🏼‍♂️。因此PFBC有望適用於製備動態力學環境中使用的電子設備👌🏼。回收的PFBC保持了其良好的力學性能和電導率（約100 S cm-1）。韌性是表征材料力學性能的一個重要參數，材料的韌性越高，越不容易被破壞，越耐用。因此，高韌性材料是可穿戴電子產品的理想選擇👩🏿‍🚒👦🏽。經過三次循環後，PFBC的韌性仍能保持在10.1 MJ m-3📃，明顯高於已報道的用於可回收利用的電子器件的導電材料5️⃣🧑‍🔧。此外，由於CNT等納米填料的存在，PFBC在近紅外光照射下，產生光熱效應，促進PFB中的Diels–Alder反應👨🏼‍🔧，從而使材料表現出良好的自修復性能。

圖2.導電納米復合彈性體PFBC具有良好的導電性、自修復性、加工性和回收性等綜合性能🪩，為可穿戴電子器件的構築提供了理想材料。

首次報道3D打印可回收可穿戴電子器件

接著，本工作證實PFB/PFBC材料高效構築可回收電子器件的應用😼。通過3D打印直接回收再利用PFB/PFBC材料，依次製備了摩擦納米發電機（TENG），電容式壓力傳感器和柔性鍵盤，分別應用於能量收集設備、動作監測傳感器和可穿戴信號輸入器，顯示其廣闊的應用前景👰🏽。

圖3.PFB/PFBC通過3D打印高效回收利用，構建多樣的可穿戴電子器件。

穩定性與降解性的有機結合

由於材料具有穩定的共價交聯結構，其製備的電子器件具有出色穩定性🧑🏽‍🍼。上述三種電子器件在上千次的循環測試中均展現了穩定的電學信號。本工作以3D打印的壓力傳感器作為代表考察了器件的環境耐受性❄️。分別在高溫（100°C加熱1h）（Ⅰ）🏌🏻，高濕度（> 60％放置1個月）（Ⅱ），鹽水（Ⅲ）和乙醇（Ⅳ）浸泡24小時後進行測試，壓力傳感器的電信號均保持一致，表明其具有良好的環境耐受性。更進一步的，通過酶解實驗，驗證了製備的電子器件的降解性🪡，而此前報道的可回收電子器件的降解性一直被忽略🚣🏻‍♂️。可回收利用和降解性的結合為電子垃圾問題的解決提供了新材料、新思路。

圖4.3D打印可穿戴電子器件良好的穩定性、環境耐受性及降解性🔊。

該工作獲得了國家自然科學基金、上海市自然科學基金🫶🏻、意昂4平台勵誌計劃等項目資助🔣。

原文鏈接：Guo, Y., et al., Degradable and Fully Recyclable Dynamic Thermoset Elastomer for 3D-Printed Wearable Electronics. Adv. Funct. Mater. DOI：10.1002/adfm.202009799 https://doi.org/10.1002/adfm.202009799