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福州大學羅中箴/呂曉林 AFM：用于水生環境的自修復、自粘附聚離子液體導電彈性體

2023-07-24 來源：高分子科技

近年來，柔性導電材料在水下運動監測和隱蔽通信方面的應用引起了人們的廣泛關注。聚離子液體彈性體（PILE）由于內部沒有溶劑，可以避免在水下發生溶脹、電解質泄露等問題。但是，PILE仍然有拉伸性差、抗疲勞性差或易于屈服等問題。此外，由于水分子在界面處形成的水合層，會嚴重影響柔性材料與基底之間的粘附性。同時，水分子在彈性體斷裂表面引起的離子溶劑化會導致彈性體自愈性能的顯著降低，降低其可靠性和使用壽命。因此，設計具有優異力學性能、良好附著力和自愈能力的PILE對水下柔性導電材料的發展至關重要。

近日，福州大學呂曉林副教授、羅中箴教授在《Advanced Functional Materials》上發表文章《A Mechanically Robust, Self-Healing, and Adhesive Biomimetic Camouflage Ionic Conductor for Aquatic Environments》，報道了一種具有優異機械性能、水下自愈性和水下粘附性的PILE。該PILE由丙烯酸丁酯（BA）和丙烯酸氧乙基三甲基銨雙（三氟甲磺酰）亞胺（[ATAC][TFSI]）共聚制得。所開發的PILE在0-1000% 的應變下具有優異的應變傳感性能，并且可通過拉伸、按壓以及無接觸的方式在水下進行多功能傳感，可應用于水下柔性電子器件（圖1）。

圖1. 水生環境中無溶劑離子導體示意圖。

如圖2所示，該PILE具有良好的透明度。而且，由于靜電相互作用的存在，相比于純PBA，PILE的內摩擦較大，其損耗模量與儲能模量較為接近，表觀活化能為102–197 kJ mol^?1。該PILE內部的相互作用強度高于超分子網絡中氫鍵和離子締合的相互作用強度(41 ~ 96 kJ mol^?1)，這使得PILE具有優越的強度和韌性。同時，其最大活化能遠低于C-C共價鍵的相互作用強度(~350 kJ mol^?1)，這說明靜電相互作用具有可逆性，從而使其具有自愈性能。

圖2. PILE的內部相互作用。

如圖3所示，該PILE的力學性能可以通過改變兩種單體的摩爾比來實現。而且，由于靜電相互作用的可逆性，其在50-400%的應變下的加載曲線都能與上一圈的加載曲線完美地吻合。在100%的應變下循環加載-卸載50次，還發現該PILE具有優異的抗疲勞性能。同時，該PILE還具有較高的韌性和抗穿刺能力。

圖3. PILE的機械性能。

如圖4所示，該PILE還具有較好的粘附性，在不同溫度下，對不同基底都表現出了良好的粘附能力。由于該PILE的無溶劑特性和良好的疏水能力，其在水下也具有較好的粘附性。由于靜電相互作用的可逆性，不管是在空氣中還是在水下，該PILE都具有優異的自修復能力。而且，在修復后，其在加載-卸載過程中仍然能夠保持優異的抗疲勞性。