Самовосстанавливающиеся полиуретаны для гибких сенсоров

Актуальность
В эпоху Индустрии 4.0, интернета вещей и гибкой электроники ключевым элементом умных систем становятся датчики. Однако их слабое место — микротрещины и повреждения, возникающие при циклических деформациях, вибрациях и перепадах температур. Выход сенсора из строя ведет к простою оборудования, потере данных и необходимости замены, что особенно критично для труднодоступных устройств (носимая электроника, «умная» упаковка, промышленные роботы). Сегодня, на этапе перехода к персонализированному производству и «зеленой» экономике, остро востребованы материалы, способные к самовосстановлению без потери функциональности. Наш проект предлагает принципиально новое решение — динамические термочувствительные полиуретаны. В отличие от классических сшитых полимеров, наши материалы «залечивают» микротрещины при мягком нагреве (50 °C) за счет обратимых термочувствительных связей. Это позволяет: продлить срок службы датчиков без замены; снизить количество электронных отходов; использовать возобновляемое сырье и безопасные компоненты. Таким образом, проект отвечает на актуальный технологический вызов — создание надежных, ремонтопригодных и экологичных материалов для электроники будущего, что особенно важно прямо сейчас, на этапе масштабной цифровизации производства и ужесточения экологических требований.
Проблема
Современные сенсоры и устройства гибкой электроники, работающие в условиях циклических нагрузок, вибраций и перепадов температур, подвержены образованию микротрещин в полимерных компонентах. Даже незначительные повреждения приводят к ухудшению проводимости, потере сигнала и полному отказу датчика. Классические сшитые полиуретаны, обладая высокой прочностью и химической стойкостью, не способны к самовосстановлению — трещина остается навсегда. Замена отказавшего элемента часто невозможна (в герметичных или труднодоступных узлах) либо экономически нецелесообразна. При этом существующие самоисцеляющиеся материалы либо требуют жестких условий (высокие температуры, специальные катализаторы), либо не обеспечивают достаточной механической прочности. Кроме того, большинство из них синтезируются из невозобновляемого сырья и содержат токсичные компоненты. Таким образом, конкретная проблема — отсутствие доступного, экологичного полимерного материала, сочетающего: прочность сшитой структуры, способность к многократному самовосстановлению при мягком нагреве (без потери свойств), безопасность и использование возобновляемого сырья. Наш проект направлен на создание динамических термочувствительных полиуретанов, решающих именно эту проблему.
Цель
Цель проекта - получить лабораторные образцы новых динамических термочувствительных полиуретанов, обладающих сшитой молекулярной структурой, способностью к самовосстановлению при нагреве (до 120 °C) и высокими адгезионными свойствами. На основе полученных материалов разработать прототипы клеев для гибкой электроники, подтвердив их эффективность в «залечивании» микротрещин и восстановлении функциональности.
Задачи
Ключевые задачи проекта: 1) Синтез динамического мономера — разработать и получить термочувствительный мономер, содержащий обратимые связи, обеспечивающие эффект самовосстановления. 2) Получение серии образцов полиуретанов — провести реакцию поликонденсации динамического мономера с ароматическим диизоцианатом и диолом (например, этиленгликолем) в растворе при 50 °C, варьируя условия (температуру, порядок введения компонентов, соотношение реагентов). 3) Очистка и выделение целевых продуктов — промывка полученных гелей для удаления примесей с получением твердых, но гибких материалов. 4) Изучение физико-механических свойств — охарактеризовать прочность, эластичность, температуру срабатывания (переход в пластичное состояние) и эффективность самовосстановления полученных образцов. 5) Оптимизация состава — получить образцы с улучшенной способностью к самовосстановлению на основе результатов первичного тестирования. 6) Разработка клеев — приготовить клеевые композиции на основе синтезированных полиуретанов. 7) Исследование адгезионных свойств — измерить прочность сцепления клеев с различными поверхностями, характерными для гибкой электроники. 8) Анализ возможности использования возобновляемого сырья — оценить перспективы замены нефтехимических компонентов на биоосновные аналоги.
Результат
По завершении проекта будет получен лабораторный образец динамического термочувствительного полиуретана в виде твердого гибкого материала, способного к самовосстановлению при нагреве до 120 °C. На его основе будут разработаны опытные образцы клеевых композиций для гибкой электроники с подтвержденными адгезионными свойствами и эффективностью «залечивания» микротрещин.
Партнёры проекта
—
***