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通过外加场便能快速、连续、可逆地调制材料的变形与流动行为,在科学与技术上具有重要研究价值。电流变液是一种重要的电场可调智能流体,通常由微/纳米电介质颗粒分散在绝缘油中形成。电场下颗粒极化形成链结构,导致电流变液的流变性质产生明显变化,并且这种变化具有快速、可逆、能耗低特点,因而电流变液在机械、传感、机器人、微电子机械甚至食品加工等领域有潜在应用价值。为实现应用,人们一直致力于高性能电流变材料的研制。聚电解质由于密度低、磨损性小、电流变活性高等优点,被认为最有商用潜力。传统的聚电解质电流变材料有聚(甲基丙烯酸锂)、聚(苯乙烯磺酸钠)、离子交换树脂等,它们除了含有固定在聚合物主链上的离子,还含有与之电荷相反的可移动的反离子,这些聚电解质的电流变效应被认为起源于离子极化或反离子迁徙引起的界面极化。在干态下,这些聚电解质颗粒中的金属离子会被羧酸根或磺酸根强烈束缚,因此它们需要吸附少量水促进离子局域运动,才能激活电流变效应。然而,水的存在会引起材料热稳定性变差、化学腐蚀和介电击穿等严重问题。为解决该问题,德国Bayer公司研制了一种聚氧乙烯络合金属离子的聚电解质新体系,由于金属离子与醚氧基团之间的弱作用,金属离子容易在聚合物网络中解离和迁徙,进而在无水条件下就可产生强电流变效应。然而,该体系的应用并未走得更远,主要问题是聚氧乙烯易吸潮,电流变性能对湿度仍敏感;小尺寸金属离子在高电场下易泄漏,体系能耗太高;低玻璃化温度的聚氧乙烯很难造粒。因此,探索彻底突破聚电解质电流变效应水激活问题的新方法一直是电流变领域的关键问题之一。 聚离子液是一种新型的聚电解质,不同于传统聚电解质,它通常含有憎水的氟化反离子(如BF4?、PF6?、(CnF2n+1SO2)2N?等),因而具有天然的强疏水性。聚离子液还含有高密度的阴/阳离子对,这些离子对在电场下可诱导出强偶极矩。在认识到聚离子液具有这些特性的基础上,为彻底突破传统聚电解质基电流变效应水激活问题,本论文开拓了一种热稳定的聚离子液基聚电解质电流变材料新体系,基于微波辅助的分散聚合技术合成出疏水型聚离子液单分散微球,通过流变和介电分析研究了聚离子液在分子层面上的化学结构—离子局域输运/界面极化—宏观电流变性能之间的关系,揭示出聚离子液在无水环境下电流变响应机制,从而为开发高性能实用非水聚电解质电流变液提供材料设计与制备新途径。本文的主要工作包括: 1.单分散聚离子液微球的微波合成与无水电流变响应 通过微波辅助的分散聚合技术,我们合成出单分散的聚[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基铵双(三氟甲磺酰)亚胺(P[MTMA][TFSI])聚离子液微球,并通过扫描电子显微镜、热重分析、核磁共振和傅里叶变换红外光谱表征材料的形貌、热学性质与分子结构。通过流变学实验测试基于该材料的电流变液的电流变响应。实验结果表明,与传统的需要水激活的聚电解质基电流变液不同,基于该聚离子液的电流变液可以在干态和没有添加任何激活剂的情况下表现出强电流变活性,同时具有低的漏电流密度。介电谱分析初步表明,具有高密度阴/阳离子对的聚离子液可在无水环境下受电场作用表现出高的界面极化强度与合适的极化响应速率,这可能是该体系产生高电流变活性的原因。 2.具有不同阴/阳离子尺寸的单分散聚离子液微球的无水电流变性能 为了验证聚离子液的无水电流变效应,我们进一步通过微波辅助的分散聚合技术合成出三种不同阴/阳离子尺寸的季铵盐/氟化离子型聚离子液单分散微球,表征了材料的形貌、热学性质与分子结构,测试了基于这三种聚离子液的电流变液的电流变响应。结果显示,这些聚离子液能仍能在干态和没有添加任何激活剂的情况下表现出强电流变效应,同时发现具有较小尺寸阴/阳离子对的聚离子液表现出更强的电流变性能。介电分析表明,阴/阳离子的尺寸对颗粒极化有重要影响,进一步证实与离子对相关的颗粒极化与聚离子液无水电流变效应的关联性。 3.侧链尺寸对聚离子液的介电特性和电流变性能的影响 在发现和证实了聚离子液无水电流变效应基础上,为深入揭示聚离子液的无水电流变机制,我们在分子结构层次上研究结构—性能关系,首先通过微波辅助的分散聚合技术合成出一系列粒径相近但具有不同侧链尺寸的六氟磷酸基聚离子液单分散微球,基于不同温度下的流变实验,研究侧链尺寸对聚离子液颗粒的电流变效应的影响。结果表明侧链尺寸对聚离子液的电流变效应有强烈影响,侧链越短,电流变性能越强,但电流变效应的温度稳定性变差。通过介电谱,我们分析侧链对聚离子液电流变性能影响的机制,发现侧链尺寸的改变会影响反离子数目,反离子解离和扩散激活能,进而影响到离子迁徙诱导的界面极化以及由此产生的宏观电流变效应。 4.反离子种类对聚离子液的介电特性和电流变性能的影响 利用微波辅助的分散聚合技术合成一系列粒径相似但具有不同种类反离子的聚(对乙烯苄三甲铵)基聚离子液单分散微球,基于不同温度下的流变实验,研究反离子的种类对聚离子液的电流变性能的影响。结果表明反离子种类对聚离子液的电流变效应有重要影响,具有较小尺寸的有机或无机反离子的聚离子液具有更高的电流变性能。相较于无机反离子,有机反离子会使聚离子液的电流变特性表现出更明显的温度敏感性。通过介电谱分析,我们分析反离子对聚离子液电流变性能影响的起因,发现反离子尺寸、塑化效应会影响自身解离和扩散激活能,进而影响到离子迁徙诱导的界面极化以及由此产生的宏观电流变效应。