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  許多功能聚合物材料在常溫條件下缺乏延展性。使這些材料具有彈性和柔韌性是一項具有挑戰性的工作，此類工作對于包括柔性電子器件，分離膜在內的廣泛應用中尤其有意義。聚離子液體（PILs），例如基于乙烯基咪唑鎓的聚合物，在固態、凝膠態電解質和離子導電膜等領域有較為廣泛的應用，然而此類聚合物在常溫條件下因其處于“玻璃態”故具有脆性，此種性質極大地限制了此類聚合物在可拉伸器件，柔性分離膜等領域的應用。

  針對該問題，美國能源部橡樹嶺國家實驗室曹鵬飛研究員團隊通過優化聚合物結構設計，利用支鏈被氨基修飾的聚二甲基硅氧烷衍生物作為主鏈，雙端基由異氰酸酯修飾的PDMS為交聯劑，通過在主鏈上使用可逆加成斷裂鏈轉移（RAFT）聚合離子液體單體實現了聚離子液體的接枝，并通過RAFT聚合聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）調控玻璃化轉變溫度（T_g），制備了一系列兼具可拉伸性，離子傳導功能和氣體分離功能的聚合物（CL-PDMS-poly(VIMTFSI-r-PEGMA)等）。并通過調節反離子的種類實現了拉伸強度和離子電導率的調控。通過此法制備的可拉伸聚離子液體薄膜 (E-PILs) 具備良好的機械性能，應變最高達到了422%。

圖1. E-PILs的合成路線。

  作者依據此法（見圖1）制備了九種不同的可拉伸聚離子液體薄膜。研究發現，同時接枝PILs和PEGMA 的樣品（樣品2，4，7，9，見表1）相比于僅在PDMS骨架上接枝PILs的樣品均表現出了低于室溫的T_g, 更低的T_g代表上述樣品的的分子活動性大幅增加，從而改變了PILs常溫狀態下的物理性質。

  通過研究所有樣品在不同溫度下的流變學特性，研究團隊確認了在相同溫度下含有PEGMA的樣品相較于同類對照樣品均擁有較短的松弛時間，因而可以期待具有更好的彈性。在宏觀尺度下，通過進行拉伸實驗，獲得了其在室溫下的應力-應變曲線（見圖2），從數據可知：僅在PDMS骨架上接枝PILs的樣品的應變僅在5%左右，顯示出了相當的脆性。而同時接枝PILs和PEGMA 的樣品（樣品2，4，7，9）的應變顯著地提高到了122%到423%不等，這些樣品同時還維持了0. 5MPa左右的極限拉伸強度。由此可以看出，此分子設計可以有效地提升聚離子液體在室溫下的柔性并保持其機械強度。

  樣品在不同溫度下的離子電導率數據由寬頻介電譜儀測得（見圖3）。由于分子的活動性增加，同時接枝PILs和PEGMA 的樣品在室溫下的離子電導率顯著增加。為了進一步研究PILs與PEGMA的配比對離子電導率的影響，作者還合成了兩種不同PILs與PEGMA配比的樣品，測試可得PILs與PEGMA的最優摩爾配比為40：10，此結果的原因為此配比使得在室溫下的提高高分子鏈段活動性和離子濃度對提高離子電導率的協同效應達到了最大值，使得該配比的樣品在室溫下獲得了最高的離子電導率。

表1. E-PIL的各項物理性質。

圖2. （a）E-PIL的應力應變曲線，（b）E-PIL的拉伸演示圖片。

圖3. E-PILs的離子電導率對應不同溫度的曲線。

  聚離子液體的另一項重要應用是氣體分離膜領域，盡管很多工作致力于提高聚離子液體的氣體分離效率，但此類材料的脆性阻礙了其在工業領域的應用，制備一種柔性的氣體分離膜即成為了一種合理的解決方案，文中的CL-PDMS-poly(VIMTFSI)-EMIM樣品展示出了較高的CO₂透過性（158 Barrer）和CO₂/N₂選擇性（CO₂/N₂=32）（見圖4），因此可以認為此柔性氣體分離膜有較好的應用前景。本文中還討論了不同反離子對E-PILs氣體分離效率的影響。

圖4. 部分E-PILs樣品的氣體分離測試數據，黑色柱狀圖代表二氧化碳透過率， 紅色柱狀圖代表氮氣透過率，藍色數值為以上二者比值。

  綜上所述，通過優化交聯聚離子液體的分子設計，可以有效得提升并調控聚合物的鏈段運動能力，從而賦予聚離子液體優秀的室溫拉伸性能。在此基礎上，此柔性聚合物薄膜表現出了兼具高伸長率、高離子電導率和高效的氣體分離能力，為未來拓展聚離子液體的應用提供重要的實踐基礎。

圖5. 文章封面

  相關研究工作以“Rational Polymer Design of Stretchable Poly(ionic liquid) Membranes for Dual Applications” 為題作為前封面文章在線發表在Macromolecules上（DOI:10.1021/acs.macromol. 0c02335）。論文的第一作者為美國田納西大學Bredesen Center學院博士研究生李炳睿，通訊作者為美國橡樹嶺國家實驗室Tomonori Saito研究員和曹鵬飛研究員。

  This study was supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division.

  該工作得到了美國能源部科學研究室，基礎能源科學下屬材料科學與工程分部的資金支持。

  原文鏈接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.0c02335