基于硫辛酸常温自聚合制备可重复加工及可涂覆的力学适应性离子凝胶

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柔性应变传感器在可穿戴设备、软机器人和人造皮肤等领域具有巨大的应用潜力。其中,以离子液体为溶剂的离子凝胶因其独特的结构与组成表现出优异的力学、电学和热稳定性能。尽管三维交联网络与离子液体的结合为离子凝胶的选择提供了成千上万种可能性,同时具有原料易得、制备简便、易加工涂覆且具有类皮肤自适应力学特征的高弹性离子凝胶尚鲜有报道。基于此,本论文制备了一种以生物小分子—硫辛酸自聚物为骨架,以离子液体—1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯([EMI][ES])为溶剂的二元高弹性离子凝胶。该离子凝胶仅通过室温下二者乙醇溶液混合来制备,随时间延长硫辛酸开环发生自聚,继而与离子液体共同组装为超分子离子凝胶网络。离子凝胶力学和电学性能可通过组分比例调节实现广泛可调,流变学上表现为类皮肤的应力硬化特征,且前驱体溶液能够涂覆或渗透于系列基体中以赋予其优良的离子导电性能。由于离子凝胶与大部分基体之间均具有良好的粘附能力,因而可紧密贴合于基体表面以实现形变过程中的实时应变传感。主要研究内容如下:(1)硫辛酸基离子凝胶的配方优化及力学与电学性能调节。首先研究了硫辛酸小分子在乙醇溶液中的聚合情况,发现硫辛酸单体在较高浓度下可自发开环聚合。继而考察了聚合物在溶剂挥发后的稳定性,发现无溶剂时材料二硫键发生断裂,聚合物将解聚为半结晶态的不稳定低聚物。考察了不同离子液体对聚合物的稳定情况,发现[EMI][ES]的加入可有效阻止聚合物解聚,得到性能优异的离子凝胶。对离子凝胶各项性能及内部相互作用进行考察,发现材料凝胶化时间随溶液浓度增加而下降,其拉伸性能和电导率随离子液体增多而变大。通过对材料线性粘弹区的测试,发现凝胶应变大于线性粘弹区范围后,模量随应变增加而变大,表现出类生物组织的动态应力硬化特征。光谱表征发现,聚硫辛酸与[EMI][ES]阴阳离子间的氢键及静电相互作用是阻止链解聚反应的主要原因。(2)为进一步改善凝胶性能,向前驱液内加入羟丙基纤维素(HPC)。HPC的加入可以进一步提高材料的力学强度而不降低其透明度。对材料电学性能进行表征,发现HPC的加入对电导率影响很小。材料的电阻信号可随应变变化而变化,因而可对实时运动情况进行电学感知。凝胶溶于乙醇后的溶胶具有粘度可调的性质,可作为导电油墨涂覆于一系列基底表面或渗透入具有多孔结构的脱木质素木材框架内,以赋予基底材料导电性和电学感知功能。本论文不仅为离子凝胶的制备提供了一种新型的设计思路,而且拓宽了其使用环境,涂覆过程的引用将极大的改善接触问题,为实际应用提供了新的方法。
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