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福州大學(xué)羅中箴/呂曉林 AFM：用于水生環(huán)境的自修復(fù)、自粘附聚離子液體導(dǎo)電彈性體
2023-07-24  來源：高分子科技

  近年來，柔性導(dǎo)電材料在水下運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和隱蔽通信方面的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。聚離子液體彈性體（PILE）由于內(nèi)部沒有溶劑，可以避免在水下發(fā)生溶脹、電解質(zhì)泄露等問題。但是，PILE仍然有拉伸性差、抗疲勞性差或易于屈服等問題。此外，由于水分子在界面處形成的水合層，會(huì)嚴(yán)重影響柔性材料與基底之間的粘附性。同時(shí)，水分子在彈性體斷裂表面引起的離子溶劑化會(huì)導(dǎo)致彈性體自愈性能的顯著降低，降低其可靠性和使用壽命。因此，設(shè)計(jì)具有優(yōu)異力學(xué)性能、良好附著力和自愈能力的PILE對(duì)水下柔性導(dǎo)電材料的發(fā)展至關(guān)重要。


  近日，福州大學(xué)呂曉林副教授、羅中箴教授在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表文章《A Mechanically Robust, Self-Healing, and Adhesive Biomimetic Camouflage Ionic Conductor for Aquatic Environments》，報(bào)道了一種具有優(yōu)異機(jī)械性能、水下自愈性和水下粘附性的PILE。該PILE由丙烯酸丁酯（BA）和丙烯酸氧乙基三甲基銨雙（三氟甲磺酰）亞胺（[ATAC][TFSI]）共聚制得。所開發(fā)的PILE在0-1000% 的應(yīng)變下具有優(yōu)異的應(yīng)變傳感性能，并且可通過拉伸、按壓以及無接觸的方式在水下進(jìn)行多功能傳感，可應(yīng)用于水下柔性電子器件（圖1）。 


圖1. 水生環(huán)境中無溶劑離子導(dǎo)體示意圖。


  如圖2所示，該PILE具有良好的透明度。而且，由于靜電相互作用的存在，相比于純PBA，PILE的內(nèi)摩擦較大，其損耗模量與儲(chǔ)能模量較為接近，表觀活化能為102–197 kJ mol?1。該PILE內(nèi)部的相互作用強(qiáng)度高于超分子網(wǎng)絡(luò)中氫鍵和離子締合的相互作用強(qiáng)度(41 ~ 96 kJ mol?1)，這使得PILE具有優(yōu)越的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，其最大活化能遠(yuǎn)低于C-C共價(jià)鍵的相互作用強(qiáng)度(~350 kJ mol?1)，這說明靜電相互作用具有可逆性，從而使其具有自愈性能。 


圖2. PILE的內(nèi)部相互作用。


  如圖3所示，該PILE的力學(xué)性能可以通過改變兩種單體的摩爾比來實(shí)現(xiàn)。而且，由于靜電相互作用的可逆性，其在50-400%的應(yīng)變下的加載曲線都能與上一圈的加載曲線完美地吻合。在100%的應(yīng)變下循環(huán)加載-卸載50次，還發(fā)現(xiàn)該PILE具有優(yōu)異的抗疲勞性能。同時(shí)，該PILE還具有較高的韌性和抗穿刺能力。 


圖3. PILE的機(jī)械性能。


  如圖4所示，該PILE還具有較好的粘附性，在不同溫度下，對(duì)不同基底都表現(xiàn)出了良好的粘附能力。由于該PILE的無溶劑特性和良好的疏水能力，其在水下也具有較好的粘附性。由于靜電相互作用的可逆性，不管是在空氣中還是在水下，該PILE都具有優(yōu)異的自修復(fù)能力。而且，在修復(fù)后，其在加載-卸載過程中仍然能夠保持優(yōu)異的抗疲勞性。 


圖4. PILE的粘附性能以及自修復(fù)性。

  由于聚離子液體的存在，使該PILE具備導(dǎo)電性。基于此，可以將PILE應(yīng)用在傳感器領(lǐng)域，其在0-1000%范圍內(nèi)的靈敏度（GF）為1.19，并且可以實(shí)時(shí)地對(duì)人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)。除此之外，PILE對(duì)壓力和聲音還具有一定的識(shí)別功能，大大提升了其應(yīng)用的范圍（圖5）。 


圖5. PILE的電學(xué)性能以及傳感應(yīng)用。


  由于該PILE的疏水特性，可以將其應(yīng)用在水下運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與通信上。在水下可以進(jìn)行接觸式（拉伸、按壓）和非接觸式傳感。通過非接觸式傳感，還可以分辨物體在入水瞬間、在水中、離開水時(shí)等不同的狀態(tài)。通過這些特性，將PILE應(yīng)用在水下進(jìn)行信號(hào)傳輸，可以用不同的方式傳遞出不同的摩斯代碼信息（圖6）。


 圖6. PILE的水下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與通信。


  福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生龔越為本論文的第一作者，呂曉林副教授和羅中箴教授為通訊作者。該項(xiàng)成果得到了鄒志剛院士的指導(dǎo)和幫助。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、福建省光電信息科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、閩江學(xué)者等基金項(xiàng)目的資助。


  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305314

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