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浙江大学贾铮教授课题组《Adv. Mater.》:一种力学性能优异的全固态离子导电弹性体

高分子科技

作者|老酒高分子 来源|高分子科技(ID:Polymer-China)

软离子器件(soft ionotronics),如离子导线、离子皮肤、软体触摸屏等,在可穿戴电子设备、软体机器人、生物医学等领域有广泛的应用。软离子导体则是软离子器件的关键材料,其不仅应具有良好的导电性、透明性和力学性能,还需具备较高的稳定性。目前的软离子导体主要包括水凝胶和离子液体凝胶,但他们存在水分蒸发或液体泄露等问题,稳定性不足。近期,浙江大学曲绍兴教授与贾铮教授课题组开发了一种新型的全固态离子导电弹性体,该材料由共聚物高分子网络和游离其中的锂盐离子组成,不含液体相,可避免由液体泄露、蒸发带来的稳定性不足的问题。该离子导电弹性体中高分子网络与离子间形成大量氢键与锂键,在材料受拉伸时通过键的断裂耗散大量能量,因此该离子导电弹性体具备非常优异的力学性能(可拉伸性、断裂韧性、强度等)。

水凝胶是一种常见的软离子导体,具有极好的导电性、透明性以及可拉伸性。然而水凝胶含有大量水分,随着水分蒸发,其导电性和可拉伸性会下降甚至丧失。另一种常见的软离子导体是离子液体凝胶。相对于水凝胶而言,离子液体凝胶较为稳定,在室温及空气环境中几乎不会损失液体成分。但是,离子液体凝胶在长期使用或承受外力的情况下,仍存在离子液体泄露的问题。此外,离子液体凝胶还面临导电性与力学性能矛盾的问题:提高离子液体含量可提高材料导电性,但同时会导致模量、强度等力学性能降低。

针对以上软离子导体面临的问题与挑战,浙江大学工程力学系曲绍兴教授与贾铮教授课题组研发了一种具有优异力学性能的全固态离子导电弹性体,成果以《A Mechanically Robust and Versatile Liquid-Free Ionic Conductive Elastomer》为题发表在材料领域知名期刊Advanced Materials上。他们将酯类单体乙二醇甲醚丙烯酸酯(MEA)、丙烯酸异冰片酯(IBA)和双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)按一定比例混合,通过自由基聚合的方法,制备了一种新型的全固态离子导电弹性体。该材料中高分子网络与离子间存在大量氢键与锂键(如图1a所示),这些氢键与锂键起到物理交联点的作用并且在材料受拉伸时可发生断裂、耗散大量能量,使得该离子导电弹性体拥有极好的力学性能。此外,该离子导电弹性体具有非晶结构(图1b)和良好的透明度。含盐量为0.5 M的离子导电弹性体的可拉伸性超过1600%(图1c),其工作温度窗口在-14.4゜(相转变温度,图1d)到200゜(热分解温度,图1e)之间,相比水凝胶而言具有极高的温度稳定性。

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图1.全固态离子导电弹性体的微观结构示意图及物理性质。

该离子导电弹性体具有优异的力学性能,无论锂盐浓度如何变化,其可拉伸性保持在1500%以上(图2a)。众所周知,材料设计领域存在着两对矛盾:(1)大部分材料的强度和断裂韧性难以同时提升;(2)离子液体凝胶的导电性与机械性能(强度、模量)难以兼得。有趣的是,随着锂盐含量由0.0 M提高到2.0 M,该离子导电弹性体的断裂韧性、强度、模量均提高数倍(图2b-d),同时克服了上述两对矛盾。此外,该离子导电弹性体还具有力学自修复性(图2e)和良好的回弹性能(图2f-h)。

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图2.全固态离子导电弹性体的力学性能。

该全固态离子导电弹性体还具有良好的导电性。图3a-b展示了全固态离子导电弹性体中盐浓度/温度和导电性之间的关系。此外,7天的测试结果表明材料在室温空气环境中也具有稳定的电导率(图3c)。该材料还具有电学自修复的特性,经过10小时的自修复过程,其电学自修复效率可达97%(图3d)。综上所述,全固态离子导电弹性体具有良好的力学性能与导电性,可以被用作电阻式应变传感器,图3e-h展示了全固态离子导电弹性体作为电阻式应变传感器的原理与应用。

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图3.全固态离子导电弹性体的电学性能。

通过将全固态离子导电弹性体与介电弹性体材料结合,可开发多种离子器件,包括离子皮肤、纳米摩擦发电机等。图4a展示了基于全固态离子导电弹性体的离子皮肤的结构示意图。与水凝胶和介电弹性体的天然弱界面粘接不同,全固态离子导电弹性体与大部分介电弹性体(如VHB等)有较强的粘接(图4b),利于保证离子器件的结构完整性。该离子皮肤能将多种外部载荷(比如拉伸、压缩及温度变化等)转换为电容信号的变化(图4c-g),且具有较高的响应速率。

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图4. 基于全固态离子导电弹性体的离子皮肤。

3D打印技术可将材料打印成复杂结构,有助于拓展材料的应用范围。该全固态离子导电弹性体也具有可打印性。图5中展示了基于数字光处理技术(DLP)的离子导电弹性体打印平台(图5a)和打印得到的结构(图5b-f)。

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图5. 全固态离子导电弹性体的可加工性。

浙江大学航空航天学院博士生布热比·依明为本文第一作者,贾铮教授为本文通讯作者,浙江大学机械学院尹俊教授与华南理工大学华南软物质科学与技术高等研究院孙桃林教授为本文共同通讯作者。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006111

贾铮(https://person.zju.edu.cn/zhengjia)是国家级青年人才项目入选者,现任职浙江大学航空航天学院工程力学系。研究领域为软物质与柔性结构力学。迄今为止在国际SCI期刊上发表论文近40篇,其中作为第一作者或通讯作者在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、PNAS、Nano Letters、ACS Nano、Journal of the Mechanics and Physics of Solids等国际刊物上发表论文20余篇。获2019年Extreme Mechanics Letters青年学者奖等国际奖项。学术兼职方面,担任力学国际网络论坛iMechanica的旗舰栏目Journal Club的主编(2020-2021)、浙江省力学学会固体力学专委会秘书长等职务。贾铮教授课题组现诚招高分子材料与化学背景的博士后,有意者请将个人简历(pdf)发送至贾铮教授邮箱zheng.jia@zju.edu.cn,邮件标题请注明“博士后申请+姓名+毕业学校”。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科技(ID:Polymer-China)


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