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山東大學(xué)陳代榮教授、王挺教授 AFM:光學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)電和傳感性能可調(diào)的多酸功能化離子凝膠
2023-12-29  來源:高分子科技

  離子凝膠由透明、可拉伸的聚合物基底和離子液體(ILs)組成,具有優(yōu)異的柔韌性、導(dǎo)電性、高化學(xué)穩(wěn)定性,并且完全無揮發(fā)性。離子凝膠作為最先進(jìn)的觸覺傳感器在人機(jī)界面、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、軟機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注和研究。然而,離子凝膠在實(shí)際應(yīng)用中還存在幾個(gè)有待解決的問題。首先,添加ILs能有效提高離子導(dǎo)電性,但高含量的ILs會(huì)使離子凝膠的力學(xué)性能變?nèi)。其次,離子凝膠需要具有可調(diào)的特性,以滿足特定的應(yīng)用需求。例如,離子凝膠的可調(diào)光學(xué)透明度可拓寬其在傳感和光學(xué)過濾方面的應(yīng)用范圍,如與具有可調(diào)外觀的離子皮膚相結(jié)合。離子凝膠的可調(diào)感應(yīng)特性可提高傳感器的靈敏度,以適應(yīng)不同類型的應(yīng)變感應(yīng)。到目前為止,調(diào)控離子凝膠的光學(xué)、力學(xué)和導(dǎo)電特性的策略相當(dāng)有限,阻礙了離子凝膠在重要領(lǐng)域的應(yīng)用。


  近日,山東大學(xué)陳代榮、王挺研究團(tuán)隊(duì)通過將聚氨酯(PU)基質(zhì)與離子液體(ILs)和 多金屬氧酸鹽(PTA 團(tuán)簇)原位復(fù)合來制備離子凝膠(PU/ILs/PTA,圖1)。PTA 團(tuán)簇(4 wt%)在PU基質(zhì)中起交聯(lián)劑的作用,有效地提高了離子凝膠的力學(xué)性能。有趣的是,在電刺激下,離子凝膠可以可逆地從透明氧化態(tài)調(diào)節(jié)到深藍(lán)還原態(tài)。通過PTA-聚合物相互作用的調(diào)節(jié),PTA團(tuán)簇的氧化還原態(tài)調(diào)節(jié)離子凝膠的性質(zhì)。離子凝膠的光學(xué)、力學(xué)和導(dǎo)電性能可以通過一個(gè)大窗口進(jìn)行原位可逆的調(diào)制:光學(xué)透明度從91%降至7%(圖2),耗散能量從0.9 MJ.m-3增加至3.1 MJ.m-3,彈性模量從1.5 MPa增加至2 MPa(圖3),電導(dǎo)率從1.6×10-4 S.cm-1提高至2.2×10 S.cm-1。同時(shí),離子凝膠的傳感特性可同時(shí)進(jìn)行調(diào)制。在應(yīng)變傳感方面,靈敏度(GF)從2.3調(diào)到7.2;應(yīng)用于壓力傳感時(shí),靈敏度(S)從0.8 kPa-1調(diào)到1.2 kPa-1(圖4)。這種具有可調(diào)光學(xué)、力學(xué)和導(dǎo)電特性的離子凝膠可以滿足特定需求,為刺激響應(yīng)型離子凝膠的設(shè)計(jì)帶來新的啟示。 


1. PU/ILS/PTA制備示意圖和結(jié)構(gòu)表征 


2. PU/ILS/PTA離子凝膠電致變色表征

 

3. PU/ILS/PTA離子凝膠力學(xué)性能表征
 

4. PU/ILS/PTA離子凝膠導(dǎo)電和傳感性能表征

  相關(guān)工作以“POM functionalized ionogels with tunable optical, mechanical, electrical and sensory properties”為題發(fā)表在Advanced Functional MaterialsDOI:10.1002/adfm.202313957),山東大學(xué)博士生慕成龍為第一作者,陳代榮教授、王挺教授為論文共同通訊作者。該研究工作致謝山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022CXPT026)、新安化工集團(tuán)有機(jī)硅前沿技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(1190022018-13)、國家自然科學(xué)基金(2187512822275116等項(xiàng)目的資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202313957

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