【研究背景】传统的导电胶（ECAs）是由非均相金属和/或碳基填料与有机胶粘剂聚合物基体混合而成，然而，这些异构混合的ECAs易发生聚集、质量较大、合成复杂且成本较高，因此面临着严重的挑战。近日，美国佛罗里达州立大学Hoyong Chung教授课题组报道了一种无金属、高性能的全有机聚合物导电粘合剂PMS：PEDOT，其具有在水中分散性好、使用简单、重量轻、高度柔性、生物相容性和工艺温度低（23°C）等特点。通过体粘附试验表明，该材料具有1.62MPa的粘性，远高于环氧树脂、玻璃粘合剂、乙烯-醋酸乙烯基热熔胶等工业胶粘剂。这种新开发的ECA在电路板和PET薄膜上成功地完成了有效的电气连接。 【工作亮点】1）本研究合成的导电聚合物不含任何贵金属，且通过简单的退火或添加甘油可进一步提高聚合物的导电性；2）本研究合成的导电聚合物具有轻量级的和高度灵活的特点，表现出良好的生物相容性，其薄膜具有高光学透明性和低表面粗糙度；3）这种新型聚合物的导电性高，附着力强，柔软性好，加工温度低，刚性和柔性基底上均可使用，有望用于导电油墨印刷领域。 【文章详情】方案1.PMS：PEDOT的合成路线。
高性能ECA的合成路线如方案1所示。首先，采用自由基聚合法合成邻苯二酚和邻苯二酚柔性连接体；第二，EDOT在柔性共聚物基质存在下氧化聚合制备出新的ECA（PMS：PEDOT）。图1. 所合成材料的导电性能和力学性能测试。
图1a展示了给定聚合物的导电性，PSPM（6）的电导率低于3.0×10-6S/cm，说明PSPM（6）本身是一种几乎绝缘的材料。而PSPM:PEDOT（7）的电导率相对于PSPM（6）至少增加了6倍，值为1.9×10-5S/cm。结果表明，PEDOT提高了聚合物的导电性。令人惊讶的是，在由PMDOPA和PSPM（6）组成的共聚物中，导电性（5.2×10-3s/cm）比PSPM（6）至少提高了3个数量级，这一结果表明PMDOPA段提高了聚合物的导电性，这是因为芳香族的π-π堆积促进了电荷转移，从而提高了电导率。图1b演示了模版印刷PMS的灵活性，可以看到，在薄PET薄膜上，无论是伸直还是弯曲状态下，印刷PMS：PEDOT（5）仍可保持其原始形状而不开裂，显示了其优秀的柔性。图1c显示了合成聚合物的粘合强度，PSPM（6）表现出1.06×10-1 MPa的粘附力，而PSPM:PEDOT（7）的结合强度比PSPM（6）提高约6倍，值为6.55×10-1Mpa。粘接强度表明PEDOT不仅能提高聚合物的导电性，而且能提高聚合物的粘接强度。图2. PMS：PEDOT的ECA的性能测试。
将含金属（Ag、Zn或Fe）的ECAs、基于碳材料的ECAs和基于ICP的ECAs进行比较发现，含有金属ii区的ECA表现出更高的综合性能。在区域ii中的PMS：PEDOT数据表明，仅通过使用有机聚合物而不使用任何重金属和昂贵的金属，也可以实现高性能的ECA。图2b显示了在不同退火温度下处理的旋涂PMS：PEDOT薄膜的导电性，结果表明，退火工艺普遍提高了PMS：PEDOT的电导率。图2c显示PMS：PEDOT-0%（不含甘油添加剂）的导电率为7.0×10-1 S/cm，在聚合物（PMS：PEDOT-38%薄膜）中加入甘油并退火后，其电导率提高到2.5 S/cm，是PMS：PEDOT-0%薄膜的4倍，与最近报道的金属-聚合物复合材料的导电性相当。如图2d所示，PMS：PEDOT-38%薄膜在λ=550nm处具有85%的高透射率，而且在几乎相同的透射率下，PMSO:PEDOT-38薄膜的Rs约为氧化石墨烯透明导电电极（TCE）的四分之一。图3.PMS：PEDOT在电气互连材料中的应用实例。
图3演示了将PMS：PEDOT作为互连材料，在传统的非柔性电路板上连接分离的电子元件。在图3A中，商用焊接灯泡因断开而无法亮起，但是，一旦将PMS：PEDOT印刷电路板连接到电气部件上，灯泡就会亮起，因此，利用该胶粘剂，则可以将电气元件连接到传统的非柔性印刷电路板。PMS：PEDOT溶液的作用类似于胶水，在室温下使用方便，且无需任何专用工具。 【结论展望】本文利用仿生分子、聚阴离子和ICP开发了一种高性能的全有机聚合物ECA。所制备的ECA具有与含银ECAs相当的综合性能，且不含任何贵金属。通过简单的退火或添加甘油可进一步提高聚合物的导电性，合成的PMS：PEDOT（5）具有轻量级的和高度柔性的特点。此外，PMS：PEDOT和含PMS：PEDOT的甘油均表现出良好的生物相容性，PMS：PEDOT薄膜具有高光学透明性和低表面粗糙度。最后，在低工艺温度（23°C）下，制备的ECA成功地用作刚性（常规电路板）和柔性（薄PET薄膜）衬底上的新型互连材料。这种新型导电粘合剂导电性高，附着力强，柔软性好，加工温度低，有望用于导电油墨印刷领域。
 Minkyu Kim, Michael F. Butler, Irawan Pramudya, Choogon Lee, Sundol Kim, Hoyong Chung*, Metal-Free Electrically Conductive Bioinspired Adhesive Polymers, Chemistry Of Materials, 2019, DOI:10.1021/acs.chemmater.9b01885