论文部分内容阅读
柔性力学传感器是一类将应力或应变等外界力学刺激转化为可监测的电容、电阻或电流等电学信号的传感器,在健康监测、软体机器人及可穿戴电子等新兴领域具有广阔的应用前景。作为柔性力学传感器的材料基础,发展高性能的柔性力学传感材料是实现柔性力学传感器快速发展的关键。柔性力学传感材料,根据其导电机理通常可分为以电子和空穴为载流子的柔性电子导体和以离子为载流子的柔性离子导体。柔性离子导体通常具有电子导体极难甚至是不可能实现的高拉伸性、高透明性和生物相容性,受到了研究者们的广泛关注。柔性离子导体,根据离子载流子的种类的不同通常可分为水/有机凝胶、离子凝胶和离子导电弹性体等。其中,水/有机凝胶是一类以水和（或）有机溶剂为分散介质所形成的凝胶材料,已被广泛应用于柔性力学传感器。然而,水/有机凝胶的使用温度会受到溶剂沸点和冷冻点的限制,面临着高温失溶剂和低温冻结等问题,进而导致柔性力学传感器出现工作温度范围窄、信号稳定性差等问题。因此,发展具有耐高温和抗冻性的离子导体,对于发展下一代柔性力学传感器具有重要的研究和应用价值。离子凝胶是一类以离子液体为分散介质所形成的凝胶材料,由于离子液体具有较高的热/化学稳定性,可高效解决水/有机凝胶材料面临的环境耐受性差等瓶颈问题。然而,传统离子凝胶的聚合物网络和离子液体通常具有吸湿性,在高湿度环境下易发生吸湿溶胀,导致了其力学及电学性能的大幅下降。因此,发展具有防水性的离子凝胶,对于发展下一代柔性力学传感材料与器件具有重要的意义。无溶剂离子导电弹性体是一类依赖于碱金属离子在醚类聚合物的非晶区,通过“解络合-络合”过程实现离子迁移和导电性能的离子导体,由于其不含任何液态离子组分,有效克服了离子凝胶中存在的离子液体易泄漏的问题,受到了研究者们的广泛关注。然而,无溶剂离子导电弹性体通常表现出较弱的力学韧性、有限的拉伸性,且不具备良好的湿热环境耐受性和自修复性,难以满足柔性力学传感器在极端环境中的应用需求。因此,发展具有高可拉伸、自修复及耐湿热环境的无溶剂离子导电弹性体是柔性传感领域非常重要的课题,且面临着较大的挑战。本论文主要开展了如下研究:（1）利用丙烯酸六氟丁酯和聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯作为共聚单体,1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐（[BMIM][TFSI]）作为溶剂,通过光引发聚合制备得到了具有超拉伸、防水性和快速自修复的半结晶性含氟共聚物离子凝胶材料（SFCI）。得益于含氟丙烯酸酯链段与[BMIM][TFSI]之间形成的动态离子-偶极相互作用以及聚乙二醇结晶结构的物理交联作用,SFCI表现出超拉伸性（＞6000%）、快速室温自修复性（经切断后,经30分钟其自修复效率＞96%）和良好的拉伸回弹性。SFCI还具有高温耐受性（＞300 oC）、抗冻性（＜-35 oC）和高透明性（可见光区域透过率＞93%）。SFCI可以被组装成防水性可穿戴电容式应变传感器,在宽应变范围下同时表现出高的灵敏度和高的线性度（0～200%应变范围内,其灵敏度因子高达1）,优异的耐疲劳性能（在50%和5%应变下分别拉伸/释放1000圈和5000圈循环后,相对电容变化值的保持率分别为93%和95%）、快速的电容响应能力（在10%应变下,响应时间为0.3 s）及实时监测复杂人体运动的可靠性。（2）通过疏水限域缔合策略,设计制备了具有微相分离结构的无溶剂离子导电含氟弹性体（ICFE）。ICFE是由聚丙烯酸六氟丁酯与聚乙二醇单甲醚丙烯酸酯无规共聚物（PHFBA-r-OEGA）和双三氟甲磺酰亚胺锂（Li TFSI）组成。其中,Li TFSI中的锂离子（Li+）和有机氟阴离子（TFSI-）,由于配位作用和“氟效应”,可分别选择性地分布在ICFE的亲水和疏水微相中。ICFE中的亲水结构为其提供了高效的离子导电通路,使得其离子电导率在室温条件下高达3.5×10-3 S m-1。ICFE中的疏水结构中含有大量动态可逆的氢键作用,使得ICFE表现出优异的抗损伤能力,包括超拉伸性（＞6000%）、高断裂韧性(17.1 MJ m-3)和自修复性能（经切断后,经12小时其自修复效率高达100%）。在拉伸形变过程中,ICFE内部存在应力诱导结晶现象,使得ICFE表现出高的断裂强度（770 k Pa）和优异的抗撕裂能力(断裂能高达22.3 k J m-2)。无溶剂的ICFE在-20～300 oC的宽温度范围内,表现出优异的耐温性能,且在99%相对湿度环境中具有良好的耐湿性能。ICFE可作为可拉伸离子导体,用于组装可穿戴电容式应变传感器,可实现对人体生理活动的实时监测。