最好的兼容墨水(有趣这个神奇墨水，登上《AM》顶刊)

Posted 2023-05-29

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一、研究背景

由于污染的积累和宝贵资源的损失，在寿命结束时未回收的材料造成了巨大的环境和经济负担。鉴于电子产品的周转率迅速增加，含有有毒物质和贵金属的电子废物(e-waste)是一种紧迫的环境、安全和经济问题。然而，电子产品的可回收性很少成为设计标准，现有的回收程序导致二次污染和贵重部件回收不足。瞬态电子器件被编程为具有工作寿命和按需转换。刺激响应可以在保护层中进行设计，以控制设备的寿命。需要使用包括热、离子物质和紫外光的组合刺激来降解几个层。尽管这些多层材料在电子产品方面取得了成功，但它们的复杂性可能会增加处理成本，并对利用现有基础设施回收电子废物构成障碍。将酶纳米簇嵌入塑料中可以在工业堆肥条件下对聚酯的降解进行编程。将这些新发展整合到复合材料中，可能是实现可持续印刷电子产品和减少电子垃圾的理想切入点。

二、研究成果

由于重金属成分的稀有性和毒性，电子废物带来的能源成本和环境负担与塑料废物不相上下。近日，加州大学伯克利分校徐婷教授课题组报道了用于印刷电路的可回收导电复合材料，其由聚己内酯(PCL)、导电填料和酶/保护剂纳米簇配制而成。电路可以印刷成具有柔性(断裂应变≈80%)和导电性(2.1×104 S m-1)。这些复合材料在使用寿命结束时，通过浸泡在温水中以可编程的潜伏期降解。大约94%的功能填料可以回收和重复使用，具有类似的设备性能。在室温下储存至少7个月和在电压下连续工作一个月后，印刷电路仍保持功能性和可降解性。本研究为可穿戴电子设备、生物传感器和软机器人等应用提供了面向可回收和易处理印刷电子设备的复合材料设计。相关研究工作以“Conductive Ink with Circular Life Cycle for Printed Electronics”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

三、图文速递

图1. RHP/BC-Lipasenp纳米团簇印刷电路的回收机理

图2. RHP/BC-Lipasenp纳米分散PCL粘合剂的降解性能受RHPs分子量的影响

可降解复合材料可以为设计导电墨水制造柔性电子电路提供机会(图1)。当使用导电填料、可生物降解的聚合物粘合剂和酶进行配制时，复合墨水具有机械强度，抗拉强度约为6.3 MPa，机械柔韧性约为80%的断裂应变，电导率约为2.1×104 S m-1。处于寿命末期的印刷电路通过浸没在温水中而降解，并且降解速率和潜伏期可以通过热处理来编程。收集金属填料并重复使用，没有观察到功能损失。在没有湿度控制的情况下，在室温下，在3 V电压下储存7个月和连续工作1个月之后，电路保持完全功能性和可降解性。此外，该工艺经过优化，无需纯化即可与商业来源的酶兼容，这是向可规模化设备制造迈出的重要一步。

图3. 电子垃圾回收

图4. 电压下的降解试验

图5. 3D打印应用

这种墨水可以印刷在各种基材上，如玻璃、橡胶、活体植物和可降解聚酯(图4)。由于印刷材料被设计为具有机械柔性和导电性，因此可以通过循环拉伸试验(1000次和1个循环s-1)中的单调导电性变化来检测其机械变形。该复合材料也可以使用热熔挤出来制造。在这项工作中，通过在低于60℃下熔融共混PCL/RHP/BC-Lipasenp和79.8 wt%的Ag薄片少于5分钟，随后使用注射器挤出而不使用任何有机溶剂，来制备油墨。熔融挤出的长丝也表现出良好的导电性，当浸入温水中时会降解。

四、结论与展望

将未纯化的BC-Lipase/RHP复合物加入Ag/PCL复合材料中制成可降解电子墨水。当浸入温水中时，嵌入的酶催化薄膜和印刷状态的PCL链的水解降解。这种RHP辅助的酶促解聚使得即使在环境条件下储存和使用数月后，也能够容易地分离电子元件和回收功能颗粒。此外，温度和后热处理可用于调节直接墨水书写后的聚合物降解速率。由于温水是引发降解和回收的主要来源，因此与使用有毒且昂贵的有机溶剂回收由多种成分构成的电子废物相比，所提议的方法更具可持续性，且可能更具成本效益。这些新的可生物降解、可回收、导电、柔性和可印刷材料可以应用于许多电子设备，作为开发环保、可回收电子产品的基石。

五、文献

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202177

文献原文：

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