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生物基弹性体，迈向可持续且多功能的软电子产品

2025-12-256

一、研究背景与核心挑战

导电弹性体是下一代软电子设备（可穿戴传感器、软机器人等）的核心材料，但传统产品存在三大局限：

对细微机械信号（如轻压）灵敏度不足，动态响应迟缓；
结构致密导致重量大、机械适配性差，影响穿戴舒适度；
依赖石油基聚合物，环境可持续性不足。

现有生物质弹性体多依赖刚性填料，易出现界面不稳定、信号漂移，且轻量化方法（如超临界 CO?发泡）需高温高压，破坏生物质基质结构，因此亟需温和条件下制备的 “高灵敏度 + 轻量化 + 可持续” 一体化材料。

二、材料设计与制备工艺

步骤	关键原料	核心参数	目的
SiO?-LA 纳米粒子合成	SiO?纳米粒子、APTES、LA、草酰氯	60℃反应 6h、冰浴过夜接枝	提供动态交联位点，增强网络稳定性
弹性复合材料制备	LA、SiO?-LA、EMIES	150℃搅拌 10min、室温冷却固化	形成动态二硫键网络 + 离子导电通路
微孔结构化	复合材料、CO?	室温、2.0 MPa、饱和 6h	形成均匀微孔（孔隙率 70%-80%），降低密度

三、核心性能与测试结果

1. 结构与基础特性

密度：从致密态降至～0.25 g/cm3（仅为原状态的 20%-30%）；
孔隙结构：孔径均匀，孔隙率 70%-80%，微孔呈 “微弹簧” 状；
化学结构：动态二硫键 + 氢键 + 静电作用，经 FTIR、XPS 验证改性成功。

2. 机械性能

伸长率：>500%（致密态显著提升）；
弹性恢复率：93%（致密态为 85%），500 次循环后仍保留 > 80% 初始应力；
机械适配性：实现相同应变所需应力显著降低，可适配复杂形变（拉伸、弯曲、扭转）。

3. 传感性能

灵敏度提升：拉伸灵敏度（GF 值）提升 3.0 倍，压缩灵敏度提升 2.75 倍；
响应范围：可检测 <1% 细微应变至> 200% 大幅形变；
响应速度：0.3s 内完成应力 - 电阻信号转换，移除应力后快速恢复；
多功能传感：可响应机械刺激（如乒乓球掉落）、温度波动（-20℃至 70℃）、液体冲击（水滴）。

4. 可持续性性能

功能	关键指标	实现机制
室温自修复	5h 恢复 90% 机械性能，50 次损伤 - 修复循环保留 98% 导电性	动态二硫键交换 + 微孔结构增大界面接触面积
完全可回收	SiO?-LA 纳米粒子回收率 > 99%，5 次循环后性能稳定	乙醇溶解 + 离心分离，动态网络可逆重组

四、性能优势与对比

加工条件优势：相较于传统聚合物发泡（>100℃、>10 MPa），本研究采用室温 + 2.0 MPa CO?，温度和压力均降低 > 80%；
性能综合优势：同时具备超轻、高灵敏度、自修复、可回收特性，解决了传统材料 “性能取舍” 问题；
应用适配优势：避免了气凝胶等多孔材料的脆性，兼具拉伸性与机械稳定性，适配穿戴设备动态使用场景。

五、结论与应用前景

通过 “动态网络 + 微孔结构” 的理性设计，成功制备出高性能生物质导电弹性体；
核心价值：突破了生物质弹性体 “轻量化与性能兼顾” 的技术瓶颈，实现温和条件下规模化制备；
应用方向：可穿戴健康监测传感器、智能人机交互界面、柔性机器人执行器等下一代软电子设备。

图解

图1 合成与表征 a 具有轻量化结构和高传感灵敏度的功能性微孔复合材料的制备流程示意图。 b 二氧化碳诱导复合材料塑化及相关孔成核与生长的示意图。 c 原始二氧化硅（SiO?）纳米粒子的C 1s X射线光电子能谱（XPS）。 d 氨基功能化二氧化硅（SiO?-NH?）的C 1s X射线光电子能谱（XPS）。 e 硫辛酸（LA）改性二氧化硅（SiO?-LA）的C 1s X射线光电子能谱（XPS）。 f 氨基功能化二氧化硅（SiO?-NH?）的N 1s X射线光电子能谱（XPS）。 g 硫辛酸（LA）改性二氧化硅（SiO?-LA）的N 1s X射线光电子能谱（XPS）。 h 硫辛酸（LA）改性二氧化硅（SiO?-LA）的O 1s X射线光电子能谱（XPS）。

图2 微孔结构工程与机理探究 a 常温条件下二氧化碳（CO?）诱导微孔形成的视觉演变：从致密结构到微孔结构。 b 扫描电子显微镜（SEM）图像：展示含1质量分数% 20纳米纳米粒子和20质量分数%离子液体（IL）的复合材料均匀微孔形貌；插图标注了代表性孔径及孔隙率。 c 含1质量分数%纳米粒子和20质量分数%离子液体（IL）的复合材料，在微孔结构化处理前后的密度对比。 d 通过微弱机械支撑展示材料的超轻特性。 e 二氧化碳（CO?）注入前后的计算相互作用能。 f 分子相互作用及键长示意图：上半部分和下半部分分别展示二氧化碳（CO?）注入前后的复合材料状态。 g 二氧化碳（CO?）与复合材料各组分的结合能。

图3 优异的机械性能与适配性 a 不同含量二氧化硅-硫辛酸（SiO?-LA）的工程化复合材料，在微孔态和致密态下的应力-应变曲线。 b 展示复合材料微孔结构化处理前后柔韧性的照片。 c 微孔复合材料与致密复合材料的拉伸循环应力-应变曲线对比；d 200%形变下不同拉伸速率的应变恢复率对比；e 两者的压缩循环应力-应变曲线对比。 f 微孔复合材料与致密复合材料在相同拉伸/压缩应变下所需应力的对比。 g 致密复合材料、h 微孔复合材料在轻微压缩应力下的自适应形变。 i 微孔复合材料弹性恢复的示意图。

图4 高灵敏度且稳定的实时传感性能 a 拉伸应力、b 压缩应力下相对电阻的变化情况。 c 经过100次拉伸-压缩循环后的稳定性。 d 不同应变水平下的传感性能。 e 电信号对形变的瞬时响应。 f 对不同温度的灵敏度。 g 对不同高度下落的乒乓球的响应。 h 对不同温度水滴的反应。 i 在表面手写“foam”（泡沫）过程中的传感响应。

图5 室温下的高效自修复性能 a 不同自修复时长下的应力-应变曲线。 b 拉伸应力与应变的自修复效率随时间变化。 c 自修复过程的照片序列。 d 切割后电阻的恢复情况。 e 多次切割-重接循环中电阻及恢复率的变化。 f 自修复前后应变系数（GF）的对比。 g 微孔结构复合材料力学与电学性能的自修复机理示意图。

图6 完全可回收性与卓越性能 a 工程化复合材料的闭环回收流程示意图。 b 二氧化硅-硫辛酸（SiO?-LA）纳米粒子回收前后的能量色散X射线光谱（EDS光谱）。 c 三次回收循环前后复合材料的微孔形貌扫描电子显微镜（SEM）图像。 d 孔径与孔隙率随回收循环次数增加的演变规律。 e 微孔复合材料回收前后的应力-应变特性。 f 200%形变下的应变恢复率。 g 多次循环下微孔与致密复合材料的自修复效率对比。 h 回收前后传感性能的对比。 i 与已报道的同类弹性导电复合材料的性能对比。 j 工程化弹性体与传统聚合物体系的加工条件对比，突出显示温度和压力均降低了80%以上。

来源：气凝前言

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