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北京大学范星河教授课题组在热修复超强双网络离子凝胶上取得新进展
2018-12-17 来源:中国流变网    点击次数:323次    

  离子凝胶是由交联聚合物网络和室温离子液体所构成的一种新型功能材料,在凝胶固态电解质、柔性电器件、电化学传感器等方面具有潜在应用。相比于传统有机电解质材料,在拥有较高的电导率和较宽的电化学窗口的基础上,还具有不可燃,不挥发等优点。在基质中同时添加两种性质不同的交联网络构筑形成的双网络结构,可以赋予凝胶出色的力学性能,在超强水凝胶中广泛应用。

  周其凤教授团队设计了一种新型双网络离子凝胶,该凝胶利用聚(偏氟乙烯-co-六氟丙烯)(P(VDF-co-HFP))作为物理交联网络,提供可拉伸性。利用动态共价键交联的聚(甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸呋喃甲酯)(P(FMA-co-MMA))形成的化学交联网络作为凝胶的骨架结构,提高模量。将两种网络结合起来,就可以得到韧性、强度都非常优异的高性能凝胶。由于体系中有热可逆的呋喃-马来酰亚胺动态共价键的存在,该凝胶还具有独特的快速热修复的性质。由于该凝胶的离子液体含量非常高,可达总质量的80%,具有很高的电导率,在电化学器件方面有着广阔的应用前景。

图1 双网络离子凝胶结构示意图

  该研究工作具有如下特色:1. 在离子液体中, P(VDF-co-HFP)中的部分VDF链段会形成结晶,从而形成物理交联点。由于该共聚物分子量较大,且链较柔软,链缠结效应显著,所形成的的凝胶具有良好的韧性。2. P(FMA-co-MMA)通过侧链上的呋喃基团与多官能团的马来酰亚胺交联剂反应,可以得到能发生热可逆反应的动态共价交联网络,赋予凝胶热修复的能力。3. 整个制备流程条件温和,水、氧气耐受性高,适用于大规模生产。

图2 双网络离子凝胶的机械强度:拉伸曲线(a)与压缩曲线(b)

图3 双网络离子凝胶的电导率随温度的变化曲线(a)与VTF方程拟合(b)

  该凝胶具有出色的力学性能,薄膜样品的断裂伸长比可以到达268 %,断裂应力为660 kPa,远超过大部分离子凝胶。同时也能承受17 MPa的压缩强度,保持85 %的形变不破损。由于离子液体含量较高,该凝胶也具有出色的电导率,在-40 ℃ - 80 ℃的温度范围内都能维持离子电导率在10-3 S/cm数量级。

图4 双网络离子凝胶的热修复性能(a)和储能模量与损耗模量随温度的变化(b)

  更重要的是,由于引入了呋喃-马来酰亚胺动态交联体系,在高温时可以发生凝胶-溶胶的热转变过程,基于这一过程能够实现凝胶的自修复。对于一般样品,这个修复过程可以在几分钟内就完成,薄膜样品更是在数十秒内即可实现裂痕的修复,效率较高。

  以上相关成果发表在Chemistry of Material(Z. Tang, X. Lyu, A. Xiao, Z. Shen, X. Fan, Chem. Mater. 2018, 30, 7752-7759.)上。论文的第一作者为北京大学化学与分子工程学院博士生汤哲浩,通讯作者为沈志豪副教授/范星河教授

  论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b03104

 
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