基于离子液体和二芳基乙烯的离子凝胶的光致变色、导电、自修复及柔性传感性能

在丙烯酸聚合中原位引入4,4′-(全氟环戊烯-1,2-二基)双(5-甲基噻吩-2-甲醛)(DEA)和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐((BMIm)BF₄),制备了一种同时具有光致变色、导电、自黏附且具有宽温度工作区间等性能的新型离子自修复凝胶DPZI。由于(BMIm)BF₄的高热稳定性和低蒸气压,所获得的DPZI凝胶在-20～40℃较宽的温度下表现出高度稳定的机械和离子导电性能。DPZI系统中引入的Zn²⁺与—COO^- 形成动态配位键,使得凝胶具有快速的自修复能力,0.06 s即可超快恢复电阻响应;离子液体的引入同时赋予了凝胶优异的抗冻性。DPZI因光致变色单元DEA的异构化可在10 s内快速发生黄-蓝颜色可逆转变,且光致变色单元的开环/闭环异构化能够实现对凝胶导电性的调节。此外,DPZI凝胶应变/压力式传感器可迅速、精准感知人体不同部位的运动并做出相应的响应;也可对呼吸、心率、声音做出精准识别,应变灵敏度为0.2%。     

用于柔性应变传感器的离子凝胶的研究进展

随着生活智能化和生产数字化的发展,人们对于柔性传感器、柔性储能器件、柔性显示屏等柔性电子器件的需求和要求逐渐提升,这迫切需要开发具有优良拉伸性能、高透明度和适用温度范围大的柔性导电材料。离子凝胶是一种将离子液体限制在固态三维网络结构的导电弹性材料,其在耐热性、稳定性和力学性能等方面有着明显优势,在柔性电子器件的制造中有着巨大应用潜力。本文将从构成离子凝胶的固态三维网络的分类、结构与性质的改进来综述离子凝胶在柔性应变传感器的研究进展并对离子凝胶的研究发展趋势进行展望。     

基于离子液体和二芳基乙烯的离子凝胶的光致变色、导电、自修复及柔性传感性能

在丙烯酸聚合中原位引入4,4''-(全氟环戊烯-1,2-二基)双(5-甲基噻吩-2-甲醛)(DEA)和离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐((BMIm)BF₄),制备了一种同时具有光致变色、导电、自黏附且具有宽温度工作区间等性能的新型离子自修复凝胶DPZI。由于(BMIm)BF₄的高热稳定性和低蒸气压,所获得的DPZI凝胶在-20~40℃较宽的温度下表现出高度稳定的机械和离子导电性能。DPZI系统中引入的Zn²⁺与—COO^-形成动态配位键,使得凝胶具有快速的自修复能力,0.06s即可超快恢复电阻响应;离子液体的引入同时赋予了凝胶优异的抗冻性。DPZI因光致变色单元DEA的异构化可在10s内快速发生黄-蓝颜色可逆转变,且光致变色单元的开环/闭环异构化能够实现对凝胶导电性的调节。此外,DPZI凝胶应变/压力式传感器可迅速、精准感知人体不同部位的运动并做出相应的响应;也可对呼吸、心率、声音做出精准识别,应变灵敏度为0.2%。     

高分子导电水凝胶的制备及在柔性可穿戴电子设备中的应用

水凝胶是具有高含水量、可变形性和良好生物相容性的材料,其中导电水凝胶具有良好的导电性、可调节的机械性及自黏附性等特征,逐渐成为制备柔性可穿戴电子设备的最佳候选材料。近年来,具有生物相容性、机械柔韧性和抗疲劳性的导电水凝胶得到广泛研究,能够实现多种生理信号和物理信号的监测及传输,促进了柔性可穿戴电子设备的发展。柔性可穿戴电子设备逐渐成为人机交互技术和人工智能领域的主要研究方向。导电水凝胶通过使用导电聚合物、导电填料、自由离子及其混合物来合成,根据导电机理,所制备的导电水凝胶可分为电子导电水凝胶、离子导电水凝胶和混合电子-离子导电水凝胶。本文讨论了导电水凝胶的制备方法,总结了导电水凝胶在可拉伸性、导电性、生物相容性和自修复性等功能方面的研究进展及其在柔性可穿戴电子设备中的应用,期望导电水凝胶可以取得更好的发展。     

静电纺丝聚酰胺6/离子液体复合膜的制备和性能研究

以甲酸为溶剂,通过采用静电纺丝法制备聚酰胺6(PA6)/离子液体复合膜。用旋转粘度计、电导率仪测定了溶液的黏度、电导率;用扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热仪(DSC)、纤维强伸度仪和表面电阻测试研究不同离子液体含量对PA6/离子液体复合膜的形貌、热性能、力学性能和导电性能的影响。实验结果表明:随着离子液体含量的增加,溶液的黏度变化不显著,而电导率急剧增大;PA6纤维的直径随着离子液体含量的增加逐渐增大,且纤维有定向排列的趋势,当离子液体含量为9%(wt)时,纤维之间有集束的现象;随着离子液体含量的增加,PA6熔点和结晶度均逐渐降低;PA6/离子液体复合膜的拉伸强度随着离子液体含量的增加逐渐降低,而断裂伸长率逐渐增加;离子液体的添加大幅度降低PA6/离子液体复合膜的表面电阻。     

杂化交联网络水凝胶的制备及表皮传感性能

以丙烯酰胺（AAm）单体和甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵（DMC）阳离子单体为共聚单体,添加一定量阴离子聚电解质聚丙烯酸钠（PAAS）,制备具有杂化交联网络的离子导电水凝胶P(AAm-DMC)-PAAS。采用万能试验机和电化学工作站对其力学性能和应变敏感性能进行测试。结果表明,水凝胶最大应力可达（88.4±4.7） kPa,最大应变为（1 030.8±71.7）%。由于PAAS和DMC能电离出丰富的游离离子,水凝胶无需额外添加导电填料即可保持较高的离子电导率（0.684 S/m）和应变变化的快速响应,灵敏因子约为2.409(0～70%应变范围内)。制备的水凝胶可作为可穿戴应变传感器监测人体运动,还可以组装成表皮电极对人体电生理信号进行准确检测。     

软硬段交联共聚物基离子导电弹性体

通过一步点击聚合反应制备了软硬段交联共聚物基锂盐离子导电弹性体，其可作为柔性应变传感器用于监测手指弯曲和摩尔斯电码传输信息.硬段组分采用液晶基元，使膜在拉伸过程中分子趋于有序排列，增强弹性体的力学性能.软段组分采用聚乙二醇二甲基丙烯酸酯低聚物(M_n=750 g/mol)，不仅能增加离子导电弹性体的断裂伸长率和透明度，而且所含的醚氧链段能解离锂盐和传输锂离子，提高离子导电弹性体的导电率.通过优化组分间的比例能得到高应变灵敏度和循环稳定的离子导电弹性体.     

仿蠕虫状聚吡咯基复合纤维的构建及应变不敏感导电性能研究

采用表面改性、原位聚合和可控牵伸整理技术在弹性聚氨酯表面构建蠕虫状水性聚氨酯@聚吡咯弹性褶皱,开发了一种同时具备高拉伸导电稳定性和较小滞后性的应变不敏感导电纤维.通过扫描电子显微镜、强力仪、红外光谱及系统源表等对纤维的微观形貌、表面成分、力学性能、应变不敏感性能以及循环稳定性等进行表征.结果 表明:该蠕虫状应变不敏感导...     

室温离子液体增塑的纳米复合聚合物电解质研究

在室温离子液体N-乙基-N'-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIBF₄)增塑的凝胶聚合物电解质中加入氧化铝纳米粒子, 制备了一种纳米复合聚合物电解质(nanocomposite polymer electrolyte, NCPE). 通过示差扫描量热(DSC)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、电化学阻抗谱(EIS)等手段对其进行了表征. 结果显示, 随着氧化铝纳米粒子含量的增加, NCPE的结晶度降低, 离子导电率升高. 但是, 纳米粒子的加入量过大时反而引起NCPE的离子导电率降低. 当纳米粒子填充量为w＝10%时, NCPE具有最高的室温离子导电率1.25×10^－3 S•cm^－1.     

双重热响应离子凝胶的构筑及相行为研究

传统热响应凝胶体系受限于响应机制单一以及响应温度可调性差等问题,难以满足复杂场景中对智能凝胶材料的需求.本文中提出了一种构筑双重热响应离子凝胶的简易策略,通过将改性的半晶型聚乙二醇(PEG)在离子液体(IL)中交联聚合,成功制备出兼具上临界互溶温度(UCST)以及下临界互溶温度(LCST)相行为的双重热响应离子凝胶.其中离子凝胶的UCST相行为基于PEG结晶熔融;而LCST相行为则是由温度影响PEG与IL之间的氢键变化所产生.此外,通过改变高分子含量、聚合物链长和离子液体中阳离子侧链长度,可以实现离子凝胶2种机制下热响应温度的大范围连续调控.同时离子凝胶的热响应相转变伴随着多种物化性质的变化,如光学透过率、机械强度(3.6～0.1 MPa)以及离子电导率.离子凝胶的上述特性使其在智能显示、可穿戴设备以及柔性传感器等领域发挥重要应用.     

纸基柔性导电材料及器件

柔性电子产品因其独特的柔性、高效、低成本的制造工艺等诸多优势受到广泛关注,但与日俱增的柔性电子器件却产生很多不可降解的塑料废弃物,对人类赖以生存的环境造成破坏。为了更好地契合可持续发展的时代理念,科研工作者开始寻找“绿色”基材代替现有的塑料来制备环境友好型的柔性电子器件。与塑料相比,纸张具有价格低廉（约为PET价格的二十分之一）、可再生、可持续、可生物降解等优势,并具有实现规模化生产的巨大潜力,引起科研工作者的广泛关注。如何根据纸张的结构特点,结合“绿色”材料,制备出更符合柔性产品要求的纸基导电材料并使其成为柔性电子器件的重要组成部分,对扩大纸基导电材料在柔性电子器件领域的应用具有十分重要的意义。 本文实验部分可细化为3个部分,逐层次探讨了纸基导电材料的制备及其在柔性电子器件中的应用,主要内容包括： 1.引入离子凝胶作为导电材料,成功制备了离子凝胶导电纸,并将其应用于电致发光器件中。将离子凝胶作为导电组分,制备离子凝胶导电墨水,与传统的印刷方式相结合,成功实现了离子凝胶导电纸的高速量产,且制备的导电纸还具有优异的机械性能、稳定的电学性能,为扩大导电纸在柔性电子器件中的应用带来福音。 2.引入PDES作为导电材料,实现了导电纸的绿色制造和图案精细化。用可聚合低共熔溶剂（PDES）代替离子凝胶,通过丝网印刷的方式转移到原纸上,经UV光照射几秒钟便可使PDES固着在原纸上,实现了PDES型导电纸的绿色、快速制备,为实现按需图案化印刷电路的制备提供了一条新的路径,是一种快速、无VOC的绿色精细图案制造过程。 3.制备了具有较好力学性能的高透明纳米导电纸,并将其用于纸基电容器的构建。使用纳米纤维素作为原纸的制备材料,使制得的导电纸具有较高的透明度;使用少量纳米银作为导电组分,保证了导电纸的成本;经氯化胆碱/尿素低共熔溶剂水溶液浸泡后,拉伸性能较纯纳米纤维素纸提高近十倍。高透明纳米导电纸的简单制备,为进一步拓宽导电纸在柔性电子器件中的应用做出了较大贡献。     

复合溶胶-凝胶法改善PBO纤维的光稳定性

分别以钛酸正丁酯(C_(16)H_(36)O_4Ti)、醋酸(CH_3COOH)、盐酸(HCl)、丙基三甲氧基硅烷(KH560)、苯基三甲氧基硅烷(Ph-TMS)、甲醇(CH_3OH)和去离子水为原料,氨水(NH_3·H_2O)为催化剂,采用溶胶-凝胶法和复合溶胶-凝胶法分别涂覆制备防老化聚亚苯基苯并二噁唑(PBO)纤维。通过粒度分析验证了纳米溶胶的成功制备,通过EDS能谱、SEM扫描电镜、接触角测定等手段分析测试PBO纤维表面的化学组成与物理性能,验证防老化PBO纤维的制备。以拉伸强度测试、SEM扫描电镜和表面接触角表征PBO纤维的防老化性能。结果表明:在氙灯耐气候试验箱经历130 h的老化后,与未经过涂覆的PBO原纤相比,采用纳米TiO_2水溶胶-凝胶法涂覆的PBO纤维拉伸强度保持率只提高了5%,利用纳米有机硅溶胶-凝胶法涂覆的PBO纤维拉伸强度保持率可提高10%,而经过纳米TiO_2和有机硅复合溶胶-凝胶法涂覆的PBO纤维,拉伸强度保持率提高了27%,且老化后的纤维表面保持得非常完整。     

复合溶胶-凝胶法改善PBO纤维的光稳定性

分别以钛酸正丁酯(C16H36O4Ti)、醋酸(CH3COOH)、盐酸(HCl)、丙基三甲氧基硅烷(KH560)、苯基三甲氧基硅烷(Ph-TMS)、甲醇(CH3OH)和去离子水(H2O)为原料,氨水(NH3·H2O)为催化剂,分别采用溶胶-凝胶法和复合溶胶-凝胶法涂覆制备防老化聚亚苯基苯并二唑(PBO)纤维。通过粒度分析验证了纳米溶胶的成功制备,通过EDS能谱、SEM扫描电镜、接触角测定等分析测试PBO纤维表面的化学组成与物理性能,验证防老化PBO纤维的成功制备。以拉伸强度测试、SEM扫描电镜和表面接触角表征PBO纤维的防老化性能。结果表明:在氙灯耐气候试验箱经历130h的老化后,与未经过涂覆的PBO原纤相比,采用纳米TiO2水溶胶-凝胶法涂覆的PBO纤维拉伸强度保持率只提高了5%,利用纳米有机硅溶胶-凝胶法涂覆的PBO纤维拉伸强度保持率可提高10%,而经过纳米TiO2和有机硅溶胶-凝胶法涂覆的PBO纤维,拉伸强度保持率提高了27%,且老化后的纤维表面保持得非常完整。     

基于杂多酸的负载离子液相催化在醇氧化中的应用

采用溶胶-凝胶法制备的离子液体功能化的二氧化硅对于杂多酸是一种可行的载体,三种商用杂多酸成功的负载在离子液体功能化的二氧化硅上作为醇氧化的催化剂.利用FTIR、XRD、XPS对该种负载离子液相催化剂进行了表征.基于磷钨酸的负载离子液相催化剂活性最好,高产率(大部分＞93%)的得到了相应的羰基化合物.且该催化剂经过简单的...     

如何理解橡胶高弹性的特点

橡胶的物理力学性能是极其特殊的,它兼备了固体、液体和气体的某些性质.橡胶高弹性具有可逆弹性形变大、弹性模量(高弹模量)小、高弹模量随温度增加而增加和快速拉伸(绝热过程)橡胶会因放热而升温等特点,而最为特殊的是橡胶高弹性本质上是一种熵弹性.     

离子液体/聚偏氟乙烯纳米纤维的防结冰性能（英文）

通过静电纺丝方法制备了掺杂离子液体([BMIM][PF_6])的聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维.研究结果表明,[BMIM][PF_6]与PVDF具有相互作用,并可促进PVDF形成β相晶体.在溶剂挥发后,离子液体存在于PVDF纳米纤维的表面.纳米纤维中的离子液体含量对复合纳米纤维的表面形态和润湿性具有显著影响.通过离子液体的引入,可有效推迟水滴在纳米纤维表面的结冰时间,降低水滴的结晶温度,并且降低冰黏附强度.研究结果显示含有10%[BMIM][PF_6]的PVDF纳米纤维疏水性最高,并具有优异的防结冰性质.     

离子液体限域于硅胶纳米孔道中的电化学行为研究(英文)

通过溶胶-凝胶法制备了硅胶包载咪唑类离子液体修饰电极,研究其与体相离子液体不同的伏安行为;另一方面,制备不同离子液体含量为15% ~ 28%的包载离子液体硅胶和涂覆离子液体硅胶,用电化学阻抗研究其在20 ^oC到80 ^oC下电导率的变化情况. 异常的电化学行为主要表现在：1)硅胶包载离子液体导致Fc/Fc⁺电对的半波电位正移63.5 ~ 200 mV;2)当离子液体限域于硅胶纳米孔道中时,离子液体的电化学稳定性变差;3)包载离子液体硅胶的电导率要比涂覆离子液体的电导率高29.6% ~ 136%. 由此推断,可能是由于离子液体充满硅胶孔腔和孔道从而形成了纳米网状的离子液体导电介质. 这些结果表明,硅胶包载离子液体不仅可以作为修饰电极的优良载体,而且也有助于理解离子液体限域于硅胶纳米孔道中的限域效应.     

红外光谱研究PEO基离子液体聚合物电解质

以聚氧化乙烯(PEO)为聚合物基体, 双三氟甲基磺酸亚酰胺锂(LiTFSI)为锂盐, 加入不同量的离子液体(BMIMPF₆)为增塑剂, 制备离子液体聚合物电解质. 运用发射FTIR光谱技术实时监测所制备聚合物电解质的结构随温度的变化. 结合FTIR透射光谱\, SEM和XRD的研究结果分析了离子液体对离子电导率的影响, 并初步提出离子导电增强机制.     

纳米复合水凝胶的力学行为与刺激响应性

纳米复合水凝胶（nanocomposite hydrogels,NC凝胶）由于其简便的制备方法、独特的组成、优异的力学性能、高光学透明度以及良好的溶胀/去溶胀性等,引起了广泛的关注.近年来,本课题组在NC凝胶的力学行为及刺激响应性NC凝胶的制备方面取得了可喜的研究成果.观察到新合成的和溶胀平衡的聚N-异丙基丙烯酰胺（PNIPAm）-锂藻土LaponiteNC凝胶的超拉伸性,发现了在大应变下的应变硬化现象;发现利用Mooney-Rivlin方程可以描述NC凝胶的压缩应力-应变,但不能描述较大的应变硬化;Creton模型能很好地描述NC凝胶在大形变下的应力-应变曲线,特别是凝胶的应变硬化;从NC凝胶小应变下的平衡剪切模量得到了有效交联密度,观察到NC凝胶形变-回复过程的迟滞现象,测定了NC凝胶的松弛指数.我们认为NC凝胶具有超拉伸性的原因是其较低的交联密度和适度的松弛速率;在响应性NC凝胶的制备方面,发现了溶胶型Laponite的水分散液的稳定窗口,避免了加入离子性单体引起的聚集沉淀;通过共聚制备了具有超拉伸性、pH响应或温度和pH双响应的透明NC凝胶.本文主要综述了我们课题组在NC凝胶力学行为及响应性NC凝胶领域的一些研究进展,并分析了NC凝胶研究领域仍然未解决的科学问题,以及今后可能的发展方向.     

Hofmeister效应辅助的蛋白质基水凝胶应变传感器

以酪蛋白酸钠和明胶为原料, 通过简单的在硫酸铵溶液中浸泡的方法, 借助Hofmeister效应制备了一种强韧导电的酪蛋白酸钠/明胶水凝胶, 克服了蛋白质基水凝胶柔软、 易碎的问题. 测试结果表明, 该水凝胶具有优异的机械性能, 最大拉伸应力为3.55 MPa, 最大拉伸应变为1375%; 水凝胶的最大电导率为0.0954 S/cm, 导电灵敏因子为0.53. 用该水凝胶制备的传感器对不同大小及不同速率的应变均具有分辨能力, 能够监测人体不同部位的运动, 且传感器的信号传输具有稳定性和准确性, 表明该水凝胶是监测人体健康和运动的理想材料. 该水凝胶还具有良好的形状记忆性能. 这一策略为制备全天然蛋白质基水凝胶开辟了新的思路, 扩展了水凝胶在生物医学和电子传感等相关领域的应用前景.