在人工智能快速發(fā)展的背景下，柔性可穿戴電子設備對拉伸傳感材料的力學性能、環(huán)境適應性和可持續(xù)性提出了更高要求。傳統(tǒng)聚合物基彈性體雖具備良好的力學性能，但存在不可回收、難降解的問題；而現(xiàn)有動態(tài)鍵作用彈性體則受限于單一響應機制，面臨彈性差、信號漂移等挑戰(zhàn)。聚硫辛酸（PTA）憑借可逆二硫鍵聚合特性展現(xiàn)出回收潛力，但其固有的低彈性和導電性限制了實際應用，因此開發(fā)兼具可持續(xù)性與高性能的傳感材料成為亟待解決的關鍵問題。

研究團隊通過分子結構設計，創(chuàng)新性地合成了可回收聚硫化網(wǎng)絡彈性體Poly (TA-co-TAB)。該材料以硫辛酸（TA）為基礎單體，通過陽離子鏈修飾獲得陽離子型硫辛酸（TAB），再與PTA共聚形成共聚物。陽離子鏈的引入不僅通過增強靜電相互作用提升了材料彈性，還優(yōu)化了拉伸過程中的電學性能，實現(xiàn)了氫鍵與離子相互作用的協(xié)同效應。材料表征結果顯示，Poly (TA-co-TAB)的拉曼光譜中，二硫鍵振動峰從單體TA的511cm-1遷移至508和525cm-1，證實環(huán)狀二硫鍵成功轉化為聚合物線性二硫鍵；ATR-FTIR光譜表明共聚合后羰基伸縮振動峰向高頻偏移，反映分子間離子鍵形成增強了酯鍵強度。凝膠滲透色譜（GPC）測定其數(shù)均分子量，元素分析驗證了TAB的成功引入。該材料呈現(xiàn)無定形結構，表面致密均勻，熱穩(wěn)定性優(yōu)于純PTA（熔點從59℃提升至97℃）。

圖1：材料合成與表征

Poly (TA-co-TAB)展現(xiàn)出卓越的綜合性能：其一，拉伸性能可調，通過調控TA與TAB的質量比（7:1至15:1），伸長率可在360%至1700%之間調節(jié)，當質量比為11:1時達到最優(yōu)平衡，拉伸率可達1100%；其二，抗疲勞性測試更顯優(yōu)勢：在100%應變下經(jīng)過1500次循環(huán)拉伸后，材料的最大應力無顯著衰減，應力-應變曲線的滯后環(huán)極小；即使在50%應變下循環(huán)3000次，仍能保持穩(wěn)定的力學性能；其三，自修復能力突出，在室溫空氣中修復30分鐘或水下修復60分鐘即可恢復力學性能，60℃加熱4小時可實現(xiàn)91%應力恢復、94.5%應變恢復和87%韌性恢復，斷裂修復響應時間僅96 ms。

圖2：Poly（TA-co-TAB）的機械拉伸和愈合性能

Poly (TA-co-TAB)的傳感靈敏度優(yōu)異，在0-100%、100-300%和300-400%應變范圍內，靈敏度（GF）分別為2.04、3.55和16.27，最小可檢測應變?yōu)?.5%。響應速度快且穩(wěn)定性強，響應/恢復時間僅為117/108 ms，在100%應變下經(jīng)過1500次循環(huán)拉伸后仍無明顯信號漂移，50%應變下可穩(wěn)定循環(huán)3000次；同時具備高效電愈合性能，切斷后重新對接即可快速恢復導電與傳感功能，經(jīng)室溫空氣30分鐘、室溫水下60分鐘等不同條件愈合后，仍能在500次循環(huán)中保持穩(wěn)定信號輸出。

圖3：Poly（TA-co-TAB）傳感性與電愈合性能

該彈性體在柔性傳感與人機交互領域表現(xiàn)出廣泛應用前景。將傳感器附著于人體關節(jié)（手指、肘部、手腕、膝蓋），可精準監(jiān)測關節(jié)彎曲角度變化，實現(xiàn)對人體運動的實時追蹤；其高靈敏度使其能夠捕捉手腕處的脈搏信號，為生理監(jiān)測提供可能。

圖4：人體運動生理信號檢測

在人機交互應用中，通過五個應變傳感器組成的可穿戴系統(tǒng)，可將手勢信號通過藍牙傳輸至機械臂，實現(xiàn)對機械臂的遠程操控，完成手勢模仿與物體抓取等動作，為醫(yī)療輔助和危險環(huán)境作業(yè)提供了新方案。

圖5：手勢檢測與人機交互

值得關注的是，Poly (TA-co-TAB)具備閉環(huán)回收特性。通過簡單的堿溶-酸提工藝，可實現(xiàn)82.19%的TA單體回收率?；厥蘸蟮膯误w經(jīng)表征與原始單體化學結構一致，重構的彈性體在力學性能（拉伸強度、循環(huán)穩(wěn)定性）和傳感性能（工作范圍、靈敏度、電學循環(huán)穩(wěn)定性）上與原始材料基本持平，顯著提升了材料的環(huán)境可持續(xù)性。

圖6：閉環(huán)回收性能評估

綜上所述，該研究通過分子結構設計實現(xiàn)了聚硫辛酸基彈性體的性能突破，其兼具超拉伸性、高靈敏度、快速自修復和可回收性等多重優(yōu)勢，為柔性電子傳感器的高性能化與綠色化發(fā)展提供了新的思路與方案。未來，該材料有望在電子皮膚、運動監(jiān)測、醫(yī)療護理等領域實現(xiàn)更廣泛的應用。

文章詳情:https://doi.org/10.1002/adfm.202512794

審核編輯 黃宇