離子凝膠是由交聯聚合物網絡和室溫離子液體所構成的一種新型功能材料，在凝膠固態電解質、柔性電器件、電化學傳感器等方面具有潛在應用。相比于傳統有機電解質材料，在擁有較高的電導率和較寬的電化學窗口的基礎上，還具有不可燃，不揮發等優點。在基質中同時添加兩種性質不同的交聯網絡構筑形成的雙網絡結構，可以賦予凝膠出色的力學性能，在超強水凝膠中廣泛應用。
周其鳳教授團隊設計了一種新型雙網絡離子凝膠，該凝膠利用聚（偏氟乙烯-co-六氟丙烯）（P（VDF-co-HFP））作為物理交聯網絡，提供可拉伸性。利用動態共價鍵交聯的聚（甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸呋喃甲酯）（P（FMA-co-MMA））形成的化學交聯網絡作為凝膠的骨架結構，提高模量。將兩種網絡結合起來，就可以得到韌性、強度都非常優異的高性能凝膠。由于體系中有熱可逆的呋喃-馬來酰亞胺動態共價鍵的存在，該凝膠還具有獨特的快速熱修復的性質。由于該凝膠的離子液體含量非常高，可達總質量的80%，具有很高的電導率，在電化學器件方面有著廣闊的應用前景。
圖1 雙網絡離子凝膠結構示意圖
該研究工作具有如下特色：1. 在離子液體中， P（VDF-co-HFP）中的部分VDF鏈段會形成結晶，從而形成物理交聯點。由于該共聚物分子量較大，且鏈較柔軟，鏈纏結效應顯著，所形成的的凝膠具有良好的韌性。2. P（FMA-co-MMA）通過側鏈上的呋喃基團與多官能團的馬來酰亞胺交聯劑反應，可以得到能發生熱可逆反應的動態共價交聯網絡，賦予凝膠熱修復的能力。3. 整個制備流程條件溫和，水、氧氣耐受性高，適用于大規模生產。
圖2 雙網絡離子凝膠的機械強度：拉伸曲線（a）與壓縮曲線（b）
圖3 雙網絡離子凝膠的電導率隨溫度的變化曲線（a）與VTF方程擬合（b）
該凝膠具有出色的力學性能，薄膜樣品的斷裂伸長比可以到達268 %，斷裂應力為660 kPa，遠超過大部分離子凝膠。同時也能承受17 MPa的壓縮強度，保持85 %的形變不破損。由于離子液體含量較高，該凝膠也具有出色的電導率，在-40 ℃ - 80 ℃的溫度范圍內都能維持離子電導率在10-3 S/cm數量級。
圖4 雙網絡離子凝膠的熱修復性能（a）和儲能模量與損耗模量隨溫度的變化（b）
更重要的是，由于引入了呋喃-馬來酰亞胺動態交聯體系，在高溫時可以發生凝膠-溶膠的熱轉變過程，基于這一過程能夠實現凝膠的自修復。對于一般樣品，這個修復過程可以在幾分鐘內就完成，薄膜樣品更是在數十秒內即可實現裂痕的修復，效率較高。
以上相關成果發表在Chemistry of Material（Z. Tang, X. Lyu, A. Xiao, Z. Shen, X. Fan, Chem. Mater. 2018, 30, 7752-7759.）上。論文的第一作者為北京大學化學與分子工程學院博士生湯哲浩，通訊作者為沈志豪副教授/范星河教授。
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