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  透明加熱器（THs）是一種包含有導電層的視覺透明加熱器件，其加熱原理通過電流流經導電層產生焦耳熱來實現。目前，基于透明導電氧化物（ITO）的剛性THs已被廣泛應用于智能窗戶、除冰器、除霧器和顯示器等領域，但剛性的THs卻不能滿足新一代柔性和可拉伸的電子設備發展需求。近幾十年來，基于碳納米管、石墨烯、納米銀線和導電高分子等新型電子導電材料的柔性THs取得了一定的進展。然而，這些柔性透明加熱器的主要設計策略是結合電子導電網絡和柔性聚合物基體，這種復合結構不可避免地帶來了三個嚴重的問題：（1）導電組分含量的增加在提高導電性的同時會降低透明度；（2）導電組分的不均勻分布及結點產生局部熱點造成加熱器性能降低；（3）導電組分與高分子基體之間的不良界面粘結降低加熱器在循環力和熱載荷下的穩定性。

  當前，大多數電子導體基THs是基于直流電作用下的焦耳熱效應，其載流子為電子，而離子在交流電作用下，在交變電場中來回移動、碰撞和摩擦，也會產生熱效應，因此可以利用離子產生的熱效應作為替代熱源應用于THs（圖1）。離子液體凝膠是一種典型的離子導體，是被大量離子液體溶脹的三維聚合物網絡。離子液體凝膠既具有聚合物網絡的柔性和可拉伸性，同時又具有離子液體的導電性、不揮發、熱化學穩定、工作溫度范圍大以及電化學窗口寬等優點。針對離子液體凝膠體系而言，通過調控聚合物網絡和離子液體之間的分子尺度相容性，獲得優異性能的離子液體凝膠，有望完美解決傳統電子導體基THs的上述三個問題。因此離子液體凝膠是制備柔性THs的理想替代材料。

  鑒于此，西安交通大學胡建教授基于離子在交流電場下的焦耳熱效應，提出了一種高可拉伸透明的離子液體凝膠基加熱器。離子液體凝膠基THs具有良好的機械穩定性、高透光性（98%）、180 V的耐電壓性能、-50 ℃ ~ 250 ℃的耐溫性、3.6 ℃/s的加熱速率，且在彎曲（180^o）和拉伸狀態下（300%應變）均可以保持均勻加熱。離子液體凝膠基THs的概念性驗證研究不僅拓展了離子液體凝膠的應用空間，而且為傳統的電子THs技術提供了新的材料選擇和加熱原理。該研究以“Stretchable and transparent ionogel-based heaters”為題發表在最新一期《Materials Horizons》上。論文第一作者為張麗梅博士，西安交通大學胡建教授為通訊作者。論文第一單位為西安交通大學機械結構強度與振動國家重點實驗室軟機器實驗室。

THs的加熱原理

  THs的加熱原理是基于焦耳熱效應。傳統的電子THs中的導電材料為氧化銦錫（ITO）、銀納米線（AgNWs）、碳納米管（CNTs）和石墨烯等，但它們都是在直流電作用下產生焦耳熱，而離子THs是在交流電作用下產生焦耳熱，且對頻率有一定的依賴性。

圖1 THs的加熱原理示意圖

離子液體凝膠的制備

  將1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯離子液體（[C₂mim][EtSO₄]）、單體（丙烯酸-2-羥乙酯，HEA）、光引發劑（2-羥基-2-甲基苯丙酮，HMPP）和交聯劑（聚（乙二醇）二丙烯酸酯， PEGDA）按照一定的比例混合均勻，通過自由基聚合制備聚（丙烯酸-2-羥乙酯）（PHEA）離子液體凝膠（圖2）。在PHEA離子液體凝膠中，高分子鏈與溶劑具有較好的相容性，從而形成了均勻的透明彈性網絡；在PHEA離子液體凝膠體系中，無交聯劑存在時，單體的羥基氫被奪取形成活性中心，可以進行自交聯反應形成凝膠網絡。

離子液體凝膠的力學性能

離子液體凝膠的光、熱、電和粘附性能

  相比于傳統電子導電材料，離子液體凝膠這一離子導體材料具有突出的綜合性能（圖4）。電子導電材料在透明加熱器的應用中面臨著透光性與導電性沖突的難題，而離子液體凝膠作為離子導電材料，其透光率在可見光范圍內可以達到98%，并且與導電性無相關性（圖4a）。TGA測試表明了離子液體凝膠具有高的熱穩定性，~250 ?C（圖4b）。離子液體凝膠對高分子材料和金屬材料均具有良好的粘附性（圖4c, d），這使得THs器件組裝變得簡易化，減少粘合劑等材料的引入，降低粘合劑等對器件性能的影響。此外，離子液體凝膠還具有良好的電學性能（圖4e, f），其電阻隨應變變化曲線符合理想導體的理論計算曲線，其電阻在經過700次循環加載-卸載實驗后仍舊可以保持穩定，然而大多數的傳統電子導電材料卻很難在大變形和循環加載下表現出穩定的電學性能。

圖4 離子液體凝膠的光、熱、電和粘附性能 

THs的加熱性能

  將離子液體凝膠按照圖5a所示組裝THs，由于電路中容抗的存在，THs的阻抗對頻率有一定的依賴性（圖5b），而在5000Hz以上高頻區時，THs的電容容抗可忽略不計，因此其阻抗不再隨頻率發生變化。THs的電流-電壓曲線表明THs具有寬的電化學窗口（圖5c），如在10⁴ Hz下THs的臨界電化學反應電壓為180V，即驅動電壓低于180V時，THs中的界面極化是理想的，無電化學反應發生。在不同的電壓和頻率下，THs展現出了不同的加熱性能（圖5d-g），加熱速率和穩態溫度均隨驅動電壓和頻率的增加而增大，且相比于電子THs中導電填料結點或缺陷存在導致的局部熱點現象，THs具有優越的加熱均勻性。另外，循環加熱-冷卻的穩定性測試證明了THs的可靠性（圖5h）。因此，他們概念性地證明了離子液體凝膠基THs的可行性。

圖5 離子液體凝膠基THs的加熱性能 

THs的柔性和應用展示

  離子液體凝膠基THs具有卓越的柔性和可拉伸性，如圖6a所示，離子液體凝膠基THs可以進行180^o彎曲，甚至300%應變拉伸，且在變形條件下仍可均勻加熱。在室溫下，利用離子液體凝膠基THs加熱燒杯中的水，可以將水在20分鐘內從20 ^oC加熱到100 ^oC（圖6b）；在室溫和空氣環境中，利用離子液體凝膠基THs可以在30 s內快速的除去冰霜（圖6c）。因此離子液體凝膠基THs可以滿足新一代柔性可拉伸電子設備所要求的大應變性能，有望應用于可穿戴設備、醫療康復設備和光學元器件中，實現抗凍、熱療、防霧和除冰功能。

圖6離子液體凝膠基THs的柔性和應用展示

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01775F

作者簡介

胡建，西安交通大學航天航空學院教授、博導，入選學校“青年拔尖人才支持計劃”A類。2006年浙江大學化工系本科；2008年浙江大學化工系碩士；2012年日本北海道大學生物系博士，師從龔劍萍教授；2012-2015年在北海道大學化學系從事博士后工作。主要研究方向為高分子軟材料的合成、多尺度結構設計、力學及多功能性能分析、智能軟材料器件等。已在Nature Materials、Nature Communications、JACS、Nano Letters、Materials Horizons、Small、Macromolecules等期刊上發表論文40余篇。