福州大学罗中箴/吕晓林 AFM：用于水生环境的自修复、自粘附聚离子液体导电弹性体

2023-07-24 来源：高分子科技

近年来，柔性导电材料在水下运动监测和隐蔽通信方面的应用引起了人们的广泛关注。聚离子液体弹性体（PILE）由于内部没有溶剂，可以避免在水下发生溶胀、电解质泄露等问题。但是，PILE仍然有拉伸性差、抗疲劳性差或易于屈服等问题。此外，由于水分子在界面处形成的水合层，会严重影响柔性材料与基底之间的粘附性。同时，水分子在弹性体断裂表面引起的离子溶剂化会导致弹性体自愈性能的显著降低，降低其可靠性和使用寿命。因此，设计具有优异力学性能、良好附着力和自愈能力的PILE对水下柔性导电材料的发展至关重要。

近日，福州大学吕晓林副教授、罗中箴教授在《Advanced Functional Materials》上发表文章《A Mechanically Robust, Self-Healing, and Adhesive Biomimetic Camouflage Ionic Conductor for Aquatic Environments》，报道了一种具有优异机械性能、水下自愈性和水下粘附性的PILE。该PILE由丙烯酸丁酯（BA）和丙烯酸氧乙基三甲基铵双（三氟甲磺酰）亚胺（[ATAC][TFSI]）共聚制得。所开发的PILE在0-1000% 的应变下具有优异的应变传感性能，并且可通过拉伸、按压以及无接触的方式在水下进行多功能传感，可应用于水下柔性电子器件（图1）。

图1. 水生环境中无溶剂离子导体示意图。

如图2所示，该PILE具有良好的透明度。而且，由于静电相互作用的存在，相比于纯PBA，PILE的内摩擦较大，其损耗模量与储能模量较为接近，表观活化能为102–197 kJ mol^?1。该PILE内部的相互作用强度高于超分子网络中氢键和离子缔合的相互作用强度(41 ~ 96 kJ mol^?1)，这使得PILE具有优越的强度和韧性。同时，其最大活化能远低于C-C共价键的相互作用强度(~350 kJ mol^?1)，这说明静电相互作用具有可逆性，从而使其具有自愈性能。

图2. PILE的内部相互作用。

如图3所示，该PILE的力学性能可以通过改变两种单体的摩尔比来实现。而且，由于静电相互作用的可逆性，其在50-400%的应变下的加载曲线都能与上一圈的加载曲线完美地吻合。在100%的应变下循环加载-卸载50次，还发现该PILE具有优异的抗疲劳性能。同时，该PILE还具有较高的韧性和抗穿刺能力。

图3. PILE的机械性能。

如图4所示，该PILE还具有较好的粘附性，在不同温度下，对不同基底都表现出了良好的粘附能力。由于该PILE的无溶剂特性和良好的疏水能力，其在水下也具有较好的粘附性。由于静电相互作用的可逆性，不管是在空气中还是在水下，该PILE都具有优异的自修复能力。而且，在修复后，其在加载-卸载过程中仍然能够保持优异的抗疲劳性。

图4. PILE的粘附性能以及自修复性。

由于聚离子液体的存在，使该PILE具备导电性。基于此，可以将PILE应用在传感器领域，其在0-1000%范围内的灵敏度（GF）为1.19，并且可以实时地对人体关节的运动情况进行检测。除此之外，PILE对压力和声音还具有一定的识别功能，大大提升了其应用的范围（图5）。

图5. PILE的电学性能以及传感应用。

由于该PILE的疏水特性，可以将其应用在水下运动监测与通信上。在水下可以进行接触式（拉伸、按压）和非接触式传感。通过非接触式传感，还可以分辨物体在入水瞬间、在水中、离开水时等不同的状态。通过这些特性，将PILE应用在水下进行信号传输，可以用不同的方式传递出不同的摩斯代码信息（图6）。

图6. PILE的水下运动检测与通信。

福州大学材料科学与工程学院硕士生龚越为本论文的第一作者，吕晓林副教授和罗中箴教授为通讯作者。该项成果得到了邹志刚院士的指导和帮助。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、福建省光电信息科技创新实验室、福建省自然科学基金项目、闽江学者等基金项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305314

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（责任编辑：xu）

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