MORGAN
Активный пользователь
- Регистрация
- 04.06.2025
- Сообщения
- 1 179
- Реакции
- 1 069
- Баллы
- 113
Современный мир невозможно представить без электроники. В лабораториях, офисах, на кухне — везде в той или иной степени присутствую электронные устройства. Развитие технологий позволяет совершенствовать данные устройства, выпуская новые модели, которые чем-то превосходят своих предшественником. Это, а также поломки или другие причины, приводит к тому, что «старье» выбрасывается. И такого электронного мусора крайне много, а на переработку уходит лишь малый процент. Ученые из Вирджинского политехнического института и университета штата (США) разработали новый класс материалов для электронных схем, который позволит сделать электронику перерабатываемой. Из чего именно сделан данный материал, как это работает, и насколько эффективной будет данная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Быстрое развитие и расширение использования электронных устройств в современную эпоху обострило растущую проблему электронных отходов (E-waste или э-отходы для краткости). Некоторые компоненты электронных отходов, такие как золотые электроды и другие драгоценные металлы, могут быть частично восстановлены с помощью процессов химической обработки с использованием сильных кислот и впоследствии повторно использованы в новых электронных деталях. Однако многие современные электронные устройства представляют собой высокопроизводительные композиты, в которых в качестве базового материала используются неперерабатываемые термореактивные пластики, такие как ламинированные эпоксидной смолой стекловолоконные листы. Многокомпонентная природа э-отходов усложняет усилия по разделению и/или переработке, особенно из-за чрезвычайной прочности и химической стойкости термореактивных материалов. Таким образом, усилия по устранению неэффективности переработки материалов э-отходов были направлены на улучшение пригодности к переработке или технологичности полимерных компонентов.
Рост органических полупроводниковых полимеров в 1990-х–2000-х годах обозначил путь к гибким проводящим пластикам. Однако эти материалы имеют проблемы, связанные с устойчивостью к окружающей среде, и, как правило, хрупкие, в первую очередь из-за их низкого молекулярного веса и высокой степени полукристалличности. Другие подходы вместо этого смешивали изолирующие термореактивные полимеры (т. е. постоянные ковалентные сети) с проводящими наполнителями, такими как графен, углеродные нанотрубки или жесткие металлические частицы, создавая электропроводящие композиты. Хотя пороги перколяции < 1 вес.% могут быть достигнуты для графена и углеродных нанотрубок в некоторых композитах, получение оптимизированных (плато) значений проводимости часто требует значительно большего содержания наполнителя. Хотя этот подход позволяет получать материалы с хорошей механической прочностью и модулем в диапазоне ГПа, они не подлежат вторичной переработке из-за своей постоянной сетчатой структуры.
Твердые проводящие наполнители были успешно включены в матрицы витримера, но объемная электропроводность обычно значительно ниже, чем у соответствующего чистого компонента наполнителя. С другой стороны, использование сплавов металлов с низкой температурой плавления, обычно называемых жидкими металлами (LM от liquid metal), открывает перспективы создания высокопроизводительных композитов для реконфигурируемой электроники благодаря их высокой электро- и теплопроводности, регенеративным характеристикам и устойчивости к механической усталости. Однако использование LM в качестве включения в композиты витримера с высокой Tg остается редким.
Несколько примеров LM в матрицах витримера продемонстрировали функциональные свойства, такие как теплопроводность, но электропроводность, особенно в мягких условиях обработки, не была достигнута. LM в первую очередь добавлялись к низкотемпературным эластомерным полимерам или гелям для получения мягких, восстанавливаемых электронных материалов с электропроводностью на несколько порядков выше, чем у композитов с наполнителями на основе углерода. Эти типы мягких LM-композитов также, как было показано, пригодны для вторичной переработки, когда используются водорастворимые или термопластичные эластомерные матрицы, которые используют более слабые физические сшивки, в гибких или растягиваемых системах.
Аналогичным образом, полииминовый витримерный субстрат с трафаретной печатью LM-проводки был продемонстрирован для мягких и деформируемых устройств; однако этот материал имеет скромную Tg, близкую к температуре окружающей среды, низкий модуль и двухслойную структуру, а не композитную архитектуру с включениями LM, встроенными в матрицу.
Таким образом, перерабатываемые электропроводящие LM-композиты с пластикоподобными свойствами, включая высокую Tg с высоким модулем и гибкостью, остаются недостаточно разработанными и открывают возможности для создания надежных и перерабатываемых материалов для сокращения электронных отходов.
Изображение №1
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают перерабатываемые и восстанавливаемые электронные материалы через композит LM-витример, который демонстрирует механические качества жестких термореактивных материалов, но при этом перерабатывается через динамическую ковалентную полимерную сеть (1a). Эти электропроводящие, похожие на пластик композиты демонстрируют превосходные термомеханические свойства при использовании мягкого процесса отверждения при 40 ºC посредством полимеризации с раскрытием кольца эпоксидной смолы на основе эфира и аминного отвердителя с каплями LM, добавленными in situ во время полимеризации (1b). Во время процедуры отверждения капли LM на основе эвтектического Ga-In (EGaIn) оседают таким образом, что каждая сторона имеет либо проводящую, либо изолирующую функциональность (1c). Полученный материал демонстрирует высокую Tg (≈ 130 ºC) и высокий модуль упругости (≈ 1 ГПа), хорошую стойкость к растворителям, высокую электропроводность (2.0 x 105 См/м), реконфигурируемость или память формы и перерабатываемость.
Изображение №2
Ученые отмечают, что важно понимать термомеханическое и реологическое поведение матрицы витримера перед включением LM для последующего изготовления композита. Чистый эпоксидный витример на основе эфира был синтезирован путем реакции диглицидилфталата (DP) с 1,3-бис(аминометил)циклогексаном (AH) посредством полимеризации эпоксида с раскрытием кольца (слева на 2a). Хотя эпоксид находится в молярном избытке относительно первичного амина (-NH2), каждое первичное аминное звено (-NH2) в AH теоретически может дважды реагировать с эпоксидным фрагментом DP. Однако стерическое препятствие вокруг вторичного амина намного выше, чем вокруг первичного амина, что снижает его способность атаковать второй эпоксид. Тем не менее вторичные амины, которые реагируют с эпоксидными звеньями, служат динамическими ковалентными поперечными связями для формирования временной полимерной сети. Вторичные (после одного добавления) и/или третичные (после двух добавлений) амины в сформированной сетке также служат встроенными внутренними катализаторами для последующих реакций переэтерификации во время повторного формования (справа на 2a). В отличие от эпоксикислотных витримеров, которые полагаются на карбоновые кислоты в качестве отвердителей, встроенная внутренняя конструкция эфира в сочетании с аминным отвердителем позволяет избежать высокотемпературного отверждения (например, 180 °C), что типично для эпоксидных витримеров. Это также позволяет избежать использования экзогенного катализатора. Это позволяет отверждать и обрабатывать композиты при низких температурах (40 °C), при этом по-прежнему достигая высоких значений Tg, модуля упругости и электропроводности.
Были использованы LM включения EGaIn для достижения высокой электропроводности и гибкости в композитных материалах на основе витримера. Сплав EGaIn (75 мас.% галлия, 25 мас.% индия) был выбран из-за его низкой токсичности и высокой электропроводности при сохранении температуры плавления ниже температуры окружающей среды. В отличие от фиксированных проводящих путей в твердых наполнителях, жидкие проводящие сети могут быть реконфигурированы при деформации, обеспечивая стабильные электрические отклики.
Включение LM в полимерную матрицу витримера осуществлялось с помощью процедуры сдвигового смешивания. Сначала обозначенная объемная доля LM (ϕLM) смешивалась с вязкой эпоксидной смолой с помощью планетарного миксера. Во время процедуры смешивания сдвиговое напряжение внутри эпоксидного мономера разбивает основную массу LM на микрокапли (≈ 80 мкм). Диаминовый отвердитель был включен в реакционную смесь, а затем эта смесь была вылита в форму из полидиметилсилоксана (PDMS) с последующим мягким отверждением в конвекционной печи (40 ºC, 3 часа).
Основа исследования
Быстрое развитие и расширение использования электронных устройств в современную эпоху обострило растущую проблему электронных отходов (E-waste или э-отходы для краткости). Некоторые компоненты электронных отходов, такие как золотые электроды и другие драгоценные металлы, могут быть частично восстановлены с помощью процессов химической обработки с использованием сильных кислот и впоследствии повторно использованы в новых электронных деталях. Однако многие современные электронные устройства представляют собой высокопроизводительные композиты, в которых в качестве базового материала используются неперерабатываемые термореактивные пластики, такие как ламинированные эпоксидной смолой стекловолоконные листы. Многокомпонентная природа э-отходов усложняет усилия по разделению и/или переработке, особенно из-за чрезвычайной прочности и химической стойкости термореактивных материалов. Таким образом, усилия по устранению неэффективности переработки материалов э-отходов были направлены на улучшение пригодности к переработке или технологичности полимерных компонентов.
Рост органических полупроводниковых полимеров в 1990-х–2000-х годах обозначил путь к гибким проводящим пластикам. Однако эти материалы имеют проблемы, связанные с устойчивостью к окружающей среде, и, как правило, хрупкие, в первую очередь из-за их низкого молекулярного веса и высокой степени полукристалличности. Другие подходы вместо этого смешивали изолирующие термореактивные полимеры (т. е. постоянные ковалентные сети) с проводящими наполнителями, такими как графен, углеродные нанотрубки или жесткие металлические частицы, создавая электропроводящие композиты. Хотя пороги перколяции < 1 вес.% могут быть достигнуты для графена и углеродных нанотрубок в некоторых композитах, получение оптимизированных (плато) значений проводимости часто требует значительно большего содержания наполнителя. Хотя этот подход позволяет получать материалы с хорошей механической прочностью и модулем в диапазоне ГПа, они не подлежат вторичной переработке из-за своей постоянной сетчатой структуры.
Твердые проводящие наполнители были успешно включены в матрицы витримера, но объемная электропроводность обычно значительно ниже, чем у соответствующего чистого компонента наполнителя. С другой стороны, использование сплавов металлов с низкой температурой плавления, обычно называемых жидкими металлами (LM от liquid metal), открывает перспективы создания высокопроизводительных композитов для реконфигурируемой электроники благодаря их высокой электро- и теплопроводности, регенеративным характеристикам и устойчивости к механической усталости. Однако использование LM в качестве включения в композиты витримера с высокой Tg остается редким.
Несколько примеров LM в матрицах витримера продемонстрировали функциональные свойства, такие как теплопроводность, но электропроводность, особенно в мягких условиях обработки, не была достигнута. LM в первую очередь добавлялись к низкотемпературным эластомерным полимерам или гелям для получения мягких, восстанавливаемых электронных материалов с электропроводностью на несколько порядков выше, чем у композитов с наполнителями на основе углерода. Эти типы мягких LM-композитов также, как было показано, пригодны для вторичной переработки, когда используются водорастворимые или термопластичные эластомерные матрицы, которые используют более слабые физические сшивки, в гибких или растягиваемых системах.
Аналогичным образом, полииминовый витримерный субстрат с трафаретной печатью LM-проводки был продемонстрирован для мягких и деформируемых устройств; однако этот материал имеет скромную Tg, близкую к температуре окружающей среды, низкий модуль и двухслойную структуру, а не композитную архитектуру с включениями LM, встроенными в матрицу.
Таким образом, перерабатываемые электропроводящие LM-композиты с пластикоподобными свойствами, включая высокую Tg с высоким модулем и гибкостью, остаются недостаточно разработанными и открывают возможности для создания надежных и перерабатываемых материалов для сокращения электронных отходов.
Изображение №1
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают перерабатываемые и восстанавливаемые электронные материалы через композит LM-витример, который демонстрирует механические качества жестких термореактивных материалов, но при этом перерабатывается через динамическую ковалентную полимерную сеть (1a). Эти электропроводящие, похожие на пластик композиты демонстрируют превосходные термомеханические свойства при использовании мягкого процесса отверждения при 40 ºC посредством полимеризации с раскрытием кольца эпоксидной смолы на основе эфира и аминного отвердителя с каплями LM, добавленными in situ во время полимеризации (1b). Во время процедуры отверждения капли LM на основе эвтектического Ga-In (EGaIn) оседают таким образом, что каждая сторона имеет либо проводящую, либо изолирующую функциональность (1c). Полученный материал демонстрирует высокую Tg (≈ 130 ºC) и высокий модуль упругости (≈ 1 ГПа), хорошую стойкость к растворителям, высокую электропроводность (2.0 x 105 См/м), реконфигурируемость или память формы и перерабатываемость.
Результаты исследования
Изображение №2
Ученые отмечают, что важно понимать термомеханическое и реологическое поведение матрицы витримера перед включением LM для последующего изготовления композита. Чистый эпоксидный витример на основе эфира был синтезирован путем реакции диглицидилфталата (DP) с 1,3-бис(аминометил)циклогексаном (AH) посредством полимеризации эпоксида с раскрытием кольца (слева на 2a). Хотя эпоксид находится в молярном избытке относительно первичного амина (-NH2), каждое первичное аминное звено (-NH2) в AH теоретически может дважды реагировать с эпоксидным фрагментом DP. Однако стерическое препятствие вокруг вторичного амина намного выше, чем вокруг первичного амина, что снижает его способность атаковать второй эпоксид. Тем не менее вторичные амины, которые реагируют с эпоксидными звеньями, служат динамическими ковалентными поперечными связями для формирования временной полимерной сети. Вторичные (после одного добавления) и/или третичные (после двух добавлений) амины в сформированной сетке также служат встроенными внутренними катализаторами для последующих реакций переэтерификации во время повторного формования (справа на 2a). В отличие от эпоксикислотных витримеров, которые полагаются на карбоновые кислоты в качестве отвердителей, встроенная внутренняя конструкция эфира в сочетании с аминным отвердителем позволяет избежать высокотемпературного отверждения (например, 180 °C), что типично для эпоксидных витримеров. Это также позволяет избежать использования экзогенного катализатора. Это позволяет отверждать и обрабатывать композиты при низких температурах (40 °C), при этом по-прежнему достигая высоких значений Tg, модуля упругости и электропроводности.
Были использованы LM включения EGaIn для достижения высокой электропроводности и гибкости в композитных материалах на основе витримера. Сплав EGaIn (75 мас.% галлия, 25 мас.% индия) был выбран из-за его низкой токсичности и высокой электропроводности при сохранении температуры плавления ниже температуры окружающей среды. В отличие от фиксированных проводящих путей в твердых наполнителях, жидкие проводящие сети могут быть реконфигурированы при деформации, обеспечивая стабильные электрические отклики.
Включение LM в полимерную матрицу витримера осуществлялось с помощью процедуры сдвигового смешивания. Сначала обозначенная объемная доля LM (ϕLM) смешивалась с вязкой эпоксидной смолой с помощью планетарного миксера. Во время процедуры смешивания сдвиговое напряжение внутри эпоксидного мономера разбивает основную массу LM на микрокапли (≈ 80 мкм). Диаминовый отвердитель был включен в реакционную смесь, а затем эта смесь была вылита в форму из полидиметилсилоксана (PDMS) с последующим мягким отверждением в конвекционной печи (40 ºC, 3 часа).