氢键侧链修饰共轭聚合物骨架的自愈合发光弹性体的设计合成与性能研究

氢键侧链修饰共轭聚合物骨架的自愈合发光弹性体的设计合成与性能研究

基于共轭聚合物骨架的自愈合弹性体对于可拉伸电子至关重要。本文工作通过氢键侧链来调控共轭聚合物的机械性能以及自愈性能，同时确保发光共轭聚合物保持固有的光物理特性。设计并制备了高性能的可拉伸自愈合发光弹性体，其机械拉伸长度接近900%，常温下的自愈效率达到70%，且发光量子效率超过60%。这种发光弹性体在经历400%的拉伸形变并回复后，不仅机械性能能够恢复，光物理性质也恢复如初。利用该弹性体，制备了多功能的光电器件。

氢键侧链修饰共轭聚合物骨架的自愈合发光弹性体的设计合成与性能研究

摘要

基于共轭聚合物骨架的自愈合弹性体对于可拉伸电子至关重要。本文工作通过氢键侧链来调控共轭聚合物的机械性能以及自愈性能，同时确保发光共轭聚合物保持固有的光物理特性。设计并制备了高性能的可拉伸自愈合发光弹性体，其机械拉伸长度接近900%，常温下的自愈效率达到70%，且发光量子效率超过60%。这种发光弹性体在经历400%的拉伸形变并回复后，不仅机械性能能够恢复，光物理性质也恢复如初。利用该弹性体，制备了多功能的光电器件。

关键词

柔性电子；共轭聚合物；氢键；自愈合弹性体

图文摘要

通过氢键侧链调控共轭聚合物，平衡内在的发光性能与机械拉伸性，同时赋予其自愈性能。

1 实验部分

1.1 实验路线

近年来，有机发光材料因其结构易剪裁、易加工、颜色可调节等优势，在有机电致发光[1,2]、激光器[3,4]、荧光传感器[5,6]和生物成像等方面有广泛的应用[7,8]。然而，基于传统有机半导体发光材料开发的光电器件在实际应用中遭遇形变或者意外的机械损伤时，其光电性能会明显衰降甚至消失，从而大幅降低器件的稳定性和使用寿命，限制其在更广泛场景中的应用。这是因为这些传统的有机发光分子通常是刚性的、脆性的。提高有机发光材料的机械拉伸性以及自愈性是发展方向，可以使其在形变或者机械损伤恢复后，仍然保持较好的光电性能，具有重要的应用潜力[9-14]。目前，提高发光材料机械拉伸性的设计方法涉及具有应变-适应性结构的材料，包括将发光组分掺杂在弹性基质中来制造纳米复合材料以及本征可拉伸自愈合的有机发光弹性材料[15-17]。然而，纳米复合的弹性材料其光电性能在大形变下极不稳定。设计合成本征可拉伸自愈合发光弹性材料具有重要意义但仍存在巨大挑战。

本征拉伸自愈性源于聚合物链间扩散(耗散能量)以及可逆键的重排(自发性愈合)[18-21]。基于拉伸自愈的机理，人们试图通过化学的方法将有机共轭单元引入到这些动态网络结构中以设计本征的拉伸自愈材料[22-24]。其中，有机共轭发光单元涵盖共轭小分子[25,26]和共轭聚合物[27,28]。目前，尽管有少量基于有机发光小分子体系开发的拉伸自愈合的弹性体材料的研究[16,29]，但基于共轭聚合物的本征可拉伸自愈合发光弹性体的研究还鲜有报道。因此，开发基于共轭聚合物的本征可拉伸自愈合发光弹性体具有重要意义。

本工作通过在共轭聚合物的侧链引入氢键基团，设计并制备了一种高性能的可拉伸自愈合发光弹性体。通过氢键侧链来调控共轭聚合物的机械性能以及自愈性能，同时确保发光共轭聚合物保持固有的光物理特性。所制备的弹性体具有优异的机械拉伸性能（断裂拉伸长度：900%）、室温下的自愈效率达到70%，且发光量子效率超过60%。更重要的是，该弹性体在经历400%的拉伸形变并回复后，不仅机械性能能够恢复，光物理性质也恢复如初。利用该弹性体，制备了多功能的光电器件。

1.2 样品表征

样品的表征方法包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热力学性质分析、X射线衍射（XRD）、光物理性质测试、机械拉伸性能测试和自愈合性能测试等。具体测试方法和条件将在实验部分详细描述。

2 结果与讨论

2.1 弹性体的FTIR、热力学性质及XRD分析

通过FTIR光谱分析，可以观察到弹性体中氢键的形成。在1630 cm-1处的吸收峰对应于氢键的形成，表明侧链上的氢键基团与共轭聚合物骨架之间形成了氢键。热力学性质分析显示，弹性体具有良好的热稳定性，其分解温度超过300℃。XRD分析表明，弹性体具有一定的结晶性，这有助于提高其机械性能。

2.2 弹性体的光物理性质

所制备的弹性体具有优异的光物理性质。在紫外光激发下，弹性体发出明亮的绿色荧光，发光量子效率达到66%。这种高量子效率的发光性能对于光电器件的应用非常重要。

2.3 弹性体的机械拉伸性能

弹性体具有优异的机械拉伸性能。在室温下，弹性体的断裂拉伸长度达到900%，表现出极高的可拉伸性。这种优异的机械性能使得弹性体在各种应用场景中具有广泛的应用潜力。

2.4 弹性体的自愈合性能

弹性体具有良好的自愈合性能。在室温下，将弹性体切割成两半后，将其紧密接触并保持静止，经过24小时后，弹性体的自愈效率达到70%。这种自愈性能使得弹性体在受到损伤后能够自动修复，延长其使用寿命。

2.5 弹性体在拉伸下的光物理性质

弹性体在经历400%的拉伸形变并回复后，其光物理性质能够完全恢复。这种优异的光物理稳定性使得弹性体在各种应用场景中具有广泛的应用潜力。

2.6 弹性体的多功能应用

利用所制备的弹性体，可以制备多功能的光电器件。例如，可以制备可拉伸的发光二极管（LED）、可穿戴的光电传感器等。这些光电器件在可穿戴设备、生物医学等领域具有广泛的应用前景。

3 结论

本工作通过在共轭聚合物的侧链引入氢键基团，设计并制备了一种高性能的可拉伸自愈合发光弹性体。通过氢键侧链来调控共轭聚合物的机械性能以及自愈性能，同时确保发光共轭聚合物保持固有的光物理特性。所制备的弹性体具有优异的机械拉伸性能（断裂拉伸长度：900%）、室温下的自愈效率达到70%，且发光量子效率超过60%。更重要的是，该弹性体在经历400%的拉伸形变并回复后，不仅机械性能能够恢复，光物理性质也恢复如初。利用该弹性体，制备了多功能的光电器件。这种高性能的可拉伸自愈合发光弹性体为开发弹性光电器件提供了新的材料选择。

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