《AFM》华南理工大学祁海松/孙桃林:液态金属诱导聚合制备多功能无液离子导电弹性体水凝胶

【科研摘要】

新型无液体离子导电弹性体是通过丙烯酸 (AA) 在可聚合深共熔溶剂 (PDES) 中聚合制备的。最近, 华南理工大学祁海松教授/孙桃林教授团队通过液态金属 (LM) 纳米液滴用于引发聚丙烯酸 (PAA) 链并将其进一步交联成无液体聚合物网络,无需任何额外的引发剂和交联剂。所得无液体离子导电弹性体具有高透明度 (94.1%)、超拉伸性 (2600%) 和自主自愈能力。

自旋俘获电子顺磁共振和染料褪色实验揭示了自由基的产生。紫外-可见光谱和粘度测试证明了 Ga3+ 的交联效应。胶凝时间比传统的过硫酸铵热引发过程短得多。此外,这种不含液体的聚合物材料具有固有的抗冻和抗干燥能力,使其能够在恶劣条件下运行。考虑到透明性、自愈性、超拉伸性、可塑性和感官特性,由此产生的弹性导体有望在可穿戴设备、力映射和柔性电致发光设备中的工业应用中发挥作用。相关论文以题为Multifunctional Liquid-Free Ionic Conductive Elastomer Fabricated by Liquid Metal Induced Polymerization发表在《Advanced Functional Materials》上


【主图导读】

图1 a) LM-PDES弹性体制备方法示意图。b) LM-PDES 弹性体由 LM 引发和交联的示意图。

2 a) LM-AA 和 PDES 混合后 PAA 平均分子量的变化。LM:1.0重量%。b) LM-PDES 在快速聚合过程中的温度变化及其红外热图像(插图)。c)不同LM含量的LM-PDES混合物的粘度变化。d) 不同LM含量的LM-PDESs在凝胶化过程中的流变储能模量(G',实心符号)和损耗模量(G”,空心符号)。e) 用于指定孵育时间的弹性体的 G' 和 G''。f) 0 分钟、30 分钟和 12 小时后 LM-PDES 弹性体表面 LM 纳米液滴的变化。

图3 a) LM-PDES 的紫外-可见光谱和数码照片。b) EIS 图和计算的电导率。c) LM-PDES 具有 1.0 wt% LM 含量的单轴拉伸试验的数字图像。d) 不同LM含量的LM-PDES的典型应变应力曲线。

图4 a)自修复LM-PDES的拉伸试验照片。b) 原始和自修复 LM-PDES 弹性体在不同修复时间下具有 1.0 wt% LM 含量的拉伸应力-应变曲线。光学显微照片记录了自主自愈过程(插图)。c) LM-PDES 在大应变水平 (γ = 100%) 下的循环 G' 和 G" 值,固定角频率为 6.28 rad s-1 d) LM-PDES 在并联电路修复中的应用演示。e) 循环断裂愈合期间的电阻与测试时间的关系。f) 在短期内恢复损伤修复过程的机械性能和电导率的自愈效率。g) 可能的自愈机制示意图。

图5 LM-PDES 制备的可穿戴传感器和柔性显示设备。a) 电阻的应变依赖性。R0:初始电阻。ΔR:电阻变化。b) 在 100% 应变的固定应变下,应变传感器在 500 次拉伸-释放循环中的电阻变化。c) 感应手指从 0° 到 90° 的不同弯曲角度。d) 感知特定的笔迹。e) 应变主导的 3D 力图。每个交叉点的阻力是根据交叉子午带的阻力的乘积计算的。f) 柔性显示应用、电致发光器件。


【总结】

来自超声波破碎的 LM-AA 纳米液滴可以引发 PDES 的自由基聚合,并进一步释放 Ga 的多价阳离子以将 PAA 交联成高度透明 (94.1%)、超拉伸 (2600%) 和自主自愈无液体离子导体 (0.13S m-1)。合成过程非常简单、快速(2.5 wt% LM-PDES 需要 6 分钟),聚合前体中仅包含 LM、AA 和 ChCl。此外,这种不含液体的聚合物材料本身就具有抗冻和干燥的能力,使其能够在恶劣的条件下运行。考虑到透明性、自愈性、超拉伸性、可塑性和感官特性,由此产生的离子导电弹性体有望在可穿戴设备、力图和柔性电致发光设备等工业应用中发挥作用。应该相信,这种由 LM 引发的聚合和交联方法将为聚合物材料的合成开辟一条新的有力途径,并为功能化提供多种可能性。


参考文献

doi.org/10.1002/adfm.202101957

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