北京印刷學院孫志成團隊Green Chem：包埋水溶液的自修復微膠囊在導電領域的應用

隨著科學技術的發展和電子消費品的廣泛應用，越來越多的電子器件向小型化、柔性化、可摺疊的趨勢發展。然而，柔性化器件的電子電路執行過程中不可避免的會遇到磨損、疲勞、斷路等問題，這也是大部分電子裝置發生故障的主要原因。因此，科學家們開始研製能夠實現自我修復的材料或電子裝置，當電路斷開時，可以在特定的條件下，例如溫度、壓力、溼度等，使自修復材料發揮作用，從而實現自動修復柔性電路的損傷並恢復其關鍵功能。

目前常用的電路自修復材料包括貴金屬、有機碳材料、酸鹼溶液等，上述材料在應用過程中，往往涉及到成本較高、溶劑揮發、裝置腐蝕、環境汙染等問題，因此，制約了自修復材料的實際應用。微膠囊技術是一種可實現流體固態化的技術，可將功能材料或溶液作為芯材進行包埋，在特定的條件下，實現芯材緩釋或完全釋放，從而發揮芯材的作用。因此，考慮採用導電水溶液作為芯材，製備一種可用於電路恢復的自修復微膠囊，將會對電子裝置效能修復具有重要的意義。透過採用施加壓力或升高溫度的方法，使微膠囊壁材破裂、芯材釋放，從而實現電路導通，同時由於芯材為水溶液體系，具有環境友好、綠色可持續的優點，未來在柔性電子產品的自動修復過程中將會發揮巨大的作用。

近日，北京印刷學院孫志成團隊開發了一系列包埋水溶液作為芯材的自修復微膠囊產品並將其應用於電路修復過程，取得了良好效果。該研究採用廉價、無毒、無汙染的液體石蠟、水溶液作為連續相和分散相，透過原位聚合的方法成功製備了以蜜胺樹脂為殼層和以水溶液作為芯材的自修復微膠囊。微膠囊粒徑10~20微米，可承受14牛頓的壓力，具有良好的相變潛熱和熱力學效能。當進行電路修復時，對斷路部位的微膠囊施加壓力，即可使其釋放芯材導通電路，電導率為6.232 ms/cm。

圖1. 包埋導電水溶液的自修復微膠囊製備過程

圖2. 微膠囊修復電路過程，a)-e) 微膠囊包埋的芯材分別為：PEDOT：PSS水溶液（MC1)，石墨烯分散液（MC2)，Fe3O4分散液（MC2)，離子水（MC4)，去離子水（MC5)；f) 電路修復原理圖

圖3. 導電水溶液自修復微膠囊的承載壓力曲線

表1：導電水溶液的電導率（σ）

小結

這項研究工作以水溶液為芯材，透過油包水的方式製備得到具有緩釋效果的自修復微膠囊，避免了貴金屬和酸鹼溶液體系在修復過程中存在的問題，具有環境友好、綠色無汙染的特點。透過施加壓力，即可促使微膠囊破裂釋放芯材，實現電子裝置電路的修復和功能恢復。未來，將自修復微膠囊與導電油墨、導電漿料進行結合，將會在柔性電子器件或人造電子面板等領域發揮巨大的作用。

這項研究成果近期發表在英國皇家化學會的旗艦期刊Green Chemistry 上。北京印刷學院研究生李芙蓉、焦守政為論文的共同第一作者，北京印刷學院孫志成教授、海南大學周陽副教授為論文的共同通訊作者。

Self-repairing microcapsules with aqueous solutions as core materials for conductive applications

Furong Li, Shouzheng Jiao, Zhicheng Sun*, Yuanyuan Liu, Qingqing Zhang, Jinyue Wen, Yang Zhou*

Green Chem., 2020, DOI: 10.1039/D0GC03576A