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福州大學羅中箴/呂曉林 AFM：用于水生環(huán)境的自修復、自粘附聚離子液體導電彈性體

2023-07-24 來源：高分子科技

近年來，柔性導電材料在水下運動監(jiān)測和隱蔽通信方面的應用引起了人們的廣泛關注。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，會嚴重影響柔性材料與基底之間的粘附性。同時，水分子在彈性體斷裂表面引起的離子溶劑化會導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，設計具有優(yōu)異力學性能、良好附著力和自愈能力的PILE對水下柔性導電材料的發(fā)展至關重要。

近日，福州大學呂曉林副教授、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》，報道了一種具有優(yōu)異機械性能、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% 的應變下具有優(yōu)異的應變傳感性能，并且可通過拉伸、按壓以及無接觸的方式在水下進行多功能傳感，可應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)部的相互作用強度高于超分子網(wǎng)絡中氫鍵和離子締合的相互作用強度(41 ~ 96 kJ mol^?1)，這使得PILE具有優(yōu)越的強度和韌性。同時，其最大活化能遠低于C-C共價鍵的相互作用強度(~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的力學性能可以通過改變兩種單體的摩爾比來實現(xiàn)。而且，由于靜電相互作用的可逆性，其在50-400%的應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，該PILE還具有較高的韌性和抗穿刺能力。

圖3. PILE的機械性能。

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)異的自修復能力。而且，在修復后，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性。

由于聚離子液體的存在，使該PILE具備導電性。基于此，可以將PILE應用在傳感器領域，其在0-1000%范圍內(nèi)的靈敏度（GF）為1.19，并且可以實時地對人體關節(jié)的運動情況進行檢測。除此之外，PILE對壓力和聲音還具有一定的識別功能，大大提升了其應用的范圍（圖5）。

圖5. PILE的電學性能以及傳感應用。

由于該PILE的疏水特性，可以將其應用在水下運動監(jiān)測與通信上。在水下可以進行接觸式（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、離開水時等不同的狀態(tài)。通過這些特性，將PILE應用在水下進行信號傳輸，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的水下運動檢測與通信。

福州大學材料科學與工程學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。該項成果得到了鄒志剛院士的指導和幫助。研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金項目、福建省光電信息科技創(chuàng)新實驗室、福建省自然科學基金項目、閩江學者等基金項目的資助。

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

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（責任編輯：xu）

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