基于含氟聚合物的离子液体凝胶的制备与表征

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在生命物质中,信息的传递主要通过离子电路,而在机器中则主要通过电子电路;两者之间的有效结合将极大拓展生命的边界。离子电路和器件的发展依赖于新型离子导体的开发。其中,离子液体凝胶是一种重要的离子导体,因其软固体形态、高电导率和相较离子水凝胶而言更好的稳定性而被广泛应用于不同场景。当前,开发多功能、高性能离子液体凝胶仍是一个重要且具有挑战的课题。新型离子液体凝胶的设计依赖于寻找新的聚合物体系。在本论文中,引入了一类可聚合的含氟单体用于离子液体凝胶的设计,通过光引发自由基聚合得到的含氟聚合物网络与离子液体之间具有“离子-偶极”相互作用,有效提升了离子液体凝胶的稳定性。通过引入氢键作用力和能量耗散机制,提高了此类基于含氟聚合物的离子液体凝胶的机械强度,并进一步开发了基于非共价作用力的物理交联型自修复多功能离子液体凝胶。基于以上策略,本论文的主要研究内容和结论简述如下:(1)利用可聚合含氟单体丙烯酸三氟乙酯(2,2,2-Trifluoroethyl acrylate,TFEA)制备了一种具有高透光率(94%)、较高拉伸模量(最高可达0.69 MPa)、高拉伸性(最高可达1493%)的离子液体凝胶,并表现出高导电性(最高可达3.08 m S cm-1)、高热稳定性和优良的疏水耐油性。基于该凝胶制备的柔性应变传感器在空气中和水下均可实现对人体不同运动的实时可靠监测。(2)通过丙烯酰胺(Acrylamide,AAm)单体引入的氢键作用有效增强增韧了基于含氟聚合物的离子液体凝胶,赋予了其优异机械强度和高回弹性。基于这种高强度离子液体凝胶,进一步运用仿生设计的策略在凝胶电极与介电层的界面间构造微突表面,制备了一种具有仿生结构的柔性电容式压力传感器。该传感器在显著提升传感灵敏度(最高可达0.802 k Pa-1)的同时,具有超宽的压力检测范围(10 Pa~1 MPa)和良好的机械稳定性(超过8000次循环)。由于其简洁的器件结构和全柔性组件,该传感器可承受较大变形。基于其灵敏的传感性能实现了对细微人体生理信号和物体软硬程度的有效识别,并通过简单集成多个器件的方法进一步制备具有空间感知的触控面板,实现了基于摩斯密码的英文字母快速输入功能。(3)选择含氟单体丙烯酸三氟乙酯和具有氢键作用的丙烯酰胺作为功能性单体,在离子液体中通过光引发自由基无规共聚制备了一种物理交联的多功能离子液体凝胶。该凝胶兼具高拉伸性(最高可达2066%)、高透光度(>92%)、机械强度(最高可达0.72 MPa)、室温下的高电导率(最高可达2.82 m S cm-1)、空气中室温完全自修复、水下自修复、环境耐受性、空气中/水下强粘附、可回收与再加工等综合优异性能。基于该凝胶进一步制备了一种可在空气中和不同液体介质下精确响应形变的柔性应变传感器,并实现对大范围和细微人体运动的可靠稳定监测。综上,本论文开展的研究工作聚焦于基于含氟聚合物的离子液体凝胶的制备与表征,创新性的引入了可聚合含氟单体并通过简单的光聚合制备了一类新型离子液体凝胶材料,并针对不同材料的性能特点制备了若干种柔性传感器。本论文有望为新型离子液体凝胶的设计提供更多灵感,并为实现具有更优异性能的离子电子器件的开发和柔性离子电子领域的进一步发展提供了新的材料基础。
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