透明加热器（THs）是一种包含有导电层的视觉透明加热器件，其加热原理通过电流流经导电层产生焦耳热来实现。目前，基于透明导电氧化物（ITO）的刚性THs已被广泛应用于智能窗户、除冰器、除雾器和显示器等领域，但刚性的THs却不能满足新一代柔性和可拉伸的电子设备发展需求。近几十年来，基于碳纳米管、石墨烯、纳米银线和导电高分子等新型电子导电材料的柔性THs取得了一定的进展。然而，这些柔性透明加热器的主要设计策略是结合电子导电网络和柔性聚合物基体，这种复合结构不可避免地带来了三个严重的问题：（1）导电组分含量的增加在提高导电性的同时会降低透明度；（2）导电组分的不均匀分布及结点产生局部热点造成加热器性能降低；（3）导电组分与高分子基体之间的不良界面粘结降低加热器在循环力和热载荷下的稳定性。

  当前，大多数电子导体基THs是基于直流电作用下的焦耳热效应，其载流子为电子，而离子在交流电作用下，在交变电场中来回移动、碰撞和摩擦，也会产生热效应，因此可以利用离子产生的热效应作为替代热源应用于THs（图1）。离子液体凝胶是一种典型的离子导体，是被大量离子液体溶胀的三维聚合物网络。离子液体凝胶既具有聚合物网络的柔性和可拉伸性，同时又具有离子液体的导电性、不挥发、热化学稳定、工作温度范围大以及电化学窗口宽等优点。针对离子液体凝胶体系而言，通过调控聚合物网络和离子液体之间的分子尺度相容性，获得优异性能的离子液体凝胶，有望完美解决传统电子导体基THs的上述三个问题。因此离子液体凝胶是制备柔性THs的理想替代材料。

  鉴于此，西安交通大学胡建教授基于离子在交流电场下的焦耳热效应，提出了一种高可拉伸透明的离子液体凝胶基加热器。离子液体凝胶基THs具有良好的机械稳定性、高透光性（98%）、180 V的耐电压性能、-50 ℃ ~ 250 ℃的耐温性、3.6 ℃/s的加热速率，且在弯曲（180^o）和拉伸状态下（300%应变）均可以保持均匀加热。离子液体凝胶基THs的概念性验证研究不仅拓展了离子液体凝胶的应用空间，而且为传统的电子THs技术提供了新的材料选择和加热原理。该研究以“Stretchable and transparent ionogel-based heaters”为题发表在最新一期《Materials Horizons》上。论文第一作者为张丽梅博士，西安交通大学胡建教授为通讯作者。论文第一单位为西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室软机器实验室。

THs的加热原理

  THs的加热原理是基于焦耳热效应。传统的电子THs中的导电材料为氧化铟锡（ITO）、银纳米线（AgNWs）、碳纳米管（CNTs）和石墨烯等，但它们都是在直流电作用下产生焦耳热，而离子THs是在交流电作用下产生焦耳热，且对频率有一定的依赖性。

图1 THs的加热原理示意图

离子液体凝胶的制备

  将1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体（[C₂mim][EtSO₄]）、单体（丙烯酸-2-羟乙酯，HEA）、光引发剂（2-羟基-2-甲基苯丙酮，HMPP）和交联剂（聚（乙二醇）二丙烯酸酯， PEGDA）按照一定的比例混合均匀，通过自由基聚合制备聚（丙烯酸-2-羟乙酯）（PHEA）离子液体凝胶（图2）。在PHEA离子液体凝胶中，高分子链与溶剂具有较好的相容性，从而形成了均匀的透明弹性网络；在PHEA离子液体凝胶体系中，无交联剂存在时，单体的羟基氢被夺取形成活性中心，可以进行自交联反应形成凝胶网络。

离子液体凝胶的力学性能

离子液体凝胶的光、热、电和粘附性能

  相比于传统电子导电材料，离子液体凝胶这一离子导体材料具有突出的综合性能（图4）。电子导电材料在透明加热器的应用中面临着透光性与导电性冲突的难题，而离子液体凝胶作为离子导电材料，其透光率在可见光范围内可以达到98%，并且与导电性无相关性（图4a）。TGA测试表明了离子液体凝胶具有高的热稳定性，~250 ?C（图4b）。离子液体凝胶对高分子材料和金属材料均具有良好的粘附性（图4c, d），这使得THs器件组装变得简易化，减少粘合剂等材料的引入，降低粘合剂等对器件性能的影响。此外，离子液体凝胶还具有良好的电学性能（图4e, f），其电阻随应变变化曲线符合理想导体的理论计算曲线，其电阻在经过700次循环加载-卸载实验后仍旧可以保持稳定，然而大多数的传统电子导电材料却很难在大变形和循环加载下表现出稳定的电学性能。

图4 离子液体凝胶的光、热、电和粘附性能 

THs的加热性能

  将离子液体凝胶按照图5a所示组装THs，由于电路中容抗的存在，THs的阻抗对频率有一定的依赖性（图5b），而在5000Hz以上高频区时，THs的电容容抗可忽略不计，因此其阻抗不再随频率发生变化。THs的电流-电压曲线表明THs具有宽的电化学窗口（图5c），如在10⁴ Hz下THs的临界电化学反应电压为180V，即驱动电压低于180V时，THs中的界面极化是理想的，无电化学反应发生。在不同的电压和频率下，THs展现出了不同的加热性能（图5d-g），加热速率和稳态温度均随驱动电压和频率的增加而增大，且相比于电子THs中导电填料结点或缺陷存在导致的局部热点现象，THs具有优越的加热均匀性。另外，循环加热-冷却的稳定性测试证明了THs的可靠性（图5h）。因此，他们概念性地证明了离子液体凝胶基THs的可行性。

图5 离子液体凝胶基THs的加热性能 

THs的柔性和应用展示

  离子液体凝胶基THs具有卓越的柔性和可拉伸性，如图6a所示，离子液体凝胶基THs可以进行180^o弯曲，甚至300%应变拉伸，且在变形条件下仍可均匀加热。在室温下，利用离子液体凝胶基THs加热烧杯中的水，可以将水在20分钟内从20 ^oC加热到100 ^oC（图6b）；在室温和空气环境中，利用离子液体凝胶基THs可以在30 s内快速的除去冰霜（图6c）。因此离子液体凝胶基THs可以满足新一代柔性可拉伸电子设备所要求的大应变性能，有望应用于可穿戴设备、医疗康复设备和光学元器件中，实现抗冻、热疗、防雾和除冰功能。

图6离子液体凝胶基THs的柔性和应用展示

  原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/MH/D1MH01775F

作者简介

胡建，西安交通大学航天航空学院教授、博导，入选学校“青年拔尖人才支持计划”A类。2006年浙江大学化工系本科；2008年浙江大学化工系硕士；2012年日本北海道大学生物系博士，师从龚剑萍教授；2012-2015年在北海道大学化学系从事博士后工作。主要研究方向为高分子软材料的合成、多尺度结构设计、力学及多功能性能分析、智能软材料器件等。已在Nature Materials、Nature Communications、JACS、Nano Letters、Materials Horizons、Small、Macromolecules等期刊上发表论文40余篇。