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福州大學(xué)鄒志剛院士團隊呂曉林 Macromolecules：基于強、弱離子相互作用的應(yīng)變硬化聚離子液體彈性體
2024-03-28  來源：高分子科技

  近年來，導(dǎo)電水凝膠、離子凝膠和離子導(dǎo)電彈性體等聚合物離子導(dǎo)體由于具有可拉伸性和高彈性等良好的力學(xué)性能，在離子皮膚和柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域引發(fā)了極大的關(guān)注。然而，大多數(shù)凝膠和彈性體在受力時表現(xiàn)出的是軟化或線形的機械響應(yīng)行為，而這與皮膚等生物組織的應(yīng)變硬化行為（J形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線）完全不同。因此，設(shè)計具有應(yīng)變硬化能力的仿生聚合物離子導(dǎo)體仍然是一個挑戰(zhàn)。


  近日，福州大學(xué)鄒志剛院士團隊呂曉林副教授在《Macromolecules》上發(fā)表文章《Ultrastretchable and Tough Poly(ionic liquid) Elastomer with Strain-Stiffening Ability Enabled by Strong/Weak Ionic Interactions》，報道了一種強/弱離子相互作用協(xié)同策略，來制備具有應(yīng)變硬化能力的聚離子液體彈性體（PILE）。通過競聚率差異較大的咪唑基離子液體單體和丙烯酸酯單體共聚，可以使離子單體在聚合物鏈上梯度分布，從而在聚合物網(wǎng)絡(luò)中形成可控的強、弱離子相互作用（圖1）。該設(shè)計利用弱離子相互作用提高聚合物網(wǎng)絡(luò)的柔軟性，而強離子相互作用在拉伸過程中增加網(wǎng)絡(luò)的剛性，從而使PILE具有明顯的應(yīng)變硬化能力、良好的拉伸性和彈性以及高韌性。同時，PILE優(yōu)異的溫度和應(yīng)變傳感能力，使其在柔性電子器件中具有應(yīng)用潛力。


圖1. PILE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部相互作用示意圖


  如圖2所示，由于兩種單體之間差異較大的競聚率，可以在聚合物網(wǎng)絡(luò)中形成離子聚集較多的強離子相互作用和離子聚集較少的弱離子相互作用，表觀活化能具有廣泛的分布范圍（66.1–125.7 kJ mol?1）。該PILE內(nèi)部的相互作用強度高于超分子網(wǎng)絡(luò)中常見非共價相互作用的強度(41 ~ 96 kJ mol?1)，從而可以賦予該PILE良好的力學(xué)強度和韌性。此外，由于離子聚集導(dǎo)致的離子間相互作用，使得該PILE具有褶皺狀形貌。


圖2. PILE的內(nèi)部相互作用表征


  如圖3所示，通過強、弱離子相互作用之間的協(xié)同，相比于單純的聚離子液體或者聚丙烯酸酯，該PILE表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化能力。與其他具有應(yīng)變硬化能力的凝膠或者彈性體相比，其具有更高的斷裂強度和拉伸性。分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，PILE的應(yīng)變硬化能力來源于拉伸過程中離子相互作用的解離。 


圖3. PILE的應(yīng)變硬化行為表征


  如圖4所示，由于離子相互作用的可逆性，該PILE在100-600%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，表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性。同時，其還具有較高的韌性和抗穿刺能力。 


圖4. PILE的彈性和抗穿刺能力表征


  由于聚離子液體的存在，使該PILE具備導(dǎo)電性。因此，其可以應(yīng)用在柔性傳感領(lǐng)域，在極大的應(yīng)變范圍內(nèi)（5-1000%）都具有較高的靈敏度（圖5）。 


圖5. PILE的傳感應(yīng)用


  福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生虞力為本論文的第一作者，福州大學(xué)呂曉林為通訊作者，寧波大學(xué)張璇、福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院周飄飄為共同通訊作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金項目、福建省光電信息科技創(chuàng)新實驗室、福建省自然科學(xué)基金項目、國家重點研發(fā)計劃等基金項目的資助。


  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.3c02379?fig=fig1&ref=pdf

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