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中科院化學所黃偉研究員團隊 AFM：通過微相分離結構制備兼具機械性能和高電導率的離子凝膠

2022-12-29 來源：高分子科技

離子導電材料，包括水凝膠、離子凝膠等，在柔性可穿戴電子產品等領域獲得廣泛關注。由于其連續的導電相、出色的可拉伸性和透明度，軟離子導體在傳感器、柔性電極、電致發光裝置、超級電容器和可拉伸摩擦納米發電機（TENG）等領域都有應用。離子凝膠是聚合物網絡分散在離子液體中形成的復合材料，繼承了離子液體的許多獨特特性，不揮發，不易燃，具有高熱穩定和化學穩定性。這些特性使得離子凝膠可以在極端環境中長期穩定應用，而水凝膠存在脫水和工作溫度范圍狹窄的問題，因此離子凝膠被認為是水凝膠導體的理想替代品。然而，為了滿足導電性的要求，需要在離子凝膠聚合物網絡中加入大量的離子液體，這會導致材料的機械性能急劇下降，同時可能造成液體泄漏。如何制備同時具有高電導率和機械性能的離子凝膠是一個巨大的挑戰。

近期，中科院化學所極端環境高分子材料實驗室黃偉課題組和納米能源所陳翔宇團隊合作，用交聯聚合物、離子液體和鋰鹽制備了具有高機械強度（2.29～5.19 MPa）、斷裂伸長率（高達1062%）以及優良離子電導率（0.47～2.18 mS cm^-1）的離子凝膠。通過鋰鹽誘導離子凝膠形成了微相分離結構（如圖1a），其中剛性區域主要是通過鋰離子與聚合物網絡上的羰基氧之間的鋰鍵形成的，而軟性區域主要由親離子液體的聚合物鏈組成。隨著鋰鹽含量的增加，剛性區域的T_g₁增大而軟區的T_g₂減小（圖1e-f），這是因為剛性區域的聚集使過載的離子液體被擠出并滲透到軟區。由于相分離尺度較小，離子凝膠具有超高的光學透明度（圖1g）。

圖1. 分相離子凝膠的結構示意圖及結構表征

剛性區域為離子凝膠提供了強度和韌性，而軟區則提高了離子凝膠的可拉伸性和離子導電率。隨著鋰鹽含量的增加，材料的機械強度和斷裂伸長率都提高明顯（圖2a-b），由于軟區形成有效的離子運輸通道，在加入鋰鹽后，離子電導率增加（圖2c）。這實現了離子凝膠的機械性能和電導率的同時提高，解決了離子凝膠中機械強度和離子導電性之間的矛盾。

圖2. 離子凝膠的力學和電學性能以及電阻型傳感器的傳感性能

用該離子凝膠制備了電阻型傳感器和可拉伸TENG等軟離子器件。電阻型傳感器能夠以高靈敏度監測人體運動和環境溫度（圖2i-k）。基于離子凝膠的TENG是完全透明的，并且在大變形和長期運行后仍保持穩定的能量收集性能（圖3）。此外，還利用DLP 3D打印技術制造了高精度的柔性微電路和傳感陣列（圖4）。

圖3. 基于離子凝膠的TENG示意圖及輸出性能

圖4. DLP 3D打印基于離子凝膠的微電路和傳感陣列

該工作以“Mechanically Robust and Highly Conductive Ionogels for Soft Ionotronics”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是中科院化學研究所博士生張曼雯，通訊作者是中科院化學研究所黃偉研究員和于然副研究員、北京納米能源與系統研究所陳翔宇研究員。

該工作是團隊近期關于3D打印高性能光固化材料相關研究的最新進展之一。在過去的幾年中，基于光固化單體結構創新和材料微觀結構控制，團隊一直致力于制備高性能光固化材料體系：基于動態二硫鍵制備了具有室溫快速自修復功能的交聯型離子凝膠，該離子凝膠具有優異的彈性和耐疲勞性，用作柔性傳感器時具有高靈敏度和優異的長期可靠性（J. Mater. Chem. A 2022）；設計合成了乳液型的水凝膠打印墨水，利用乳液水油雙相共存的特性，直接使用具有高引發效率的油溶性光引發劑，解決了光固化3D打印水凝膠中水溶性光引發劑引發效率低導致的光固化速率低，無法打印的難題，實現了水凝膠的光固化3D打印（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021）；在乳液型打印墨水中引入油溶性單體，通過疏水性相互作用制備了高強高韌水凝膠（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022）；設計合成的新型結構有機硅樹脂，通過3D打印制備了超可拉伸有機硅橡膠，斷裂伸長率可達1400 %，是目前報道的伸長率最高的光固化橡膠（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019）；設計合成多種功能性聚氨酯型光固化樹脂（Chem. Eng. J. 2022；Polymer 2020；ACS Macro Lett. 2019）；通過分子結構設計，首次通過光固化3D打印制備了形狀記憶材料（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017）。

原文鏈接：https://dx.doi.org/10.1002/adfm.202208083

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（責任編輯：xu）

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