自然界中有许多材料能自动响应外界环境变化，并改变自身的机械强度，如骨头、鱼鳞等。剪切增稠液是一种非牛顿流体，也是此类仿生自响应材料的一种。当剪切速率（应力）超过其临界值时，剪切增稠液（STF）的黏度会快速增加，而且一旦没有了剪切作用，其粘度又能立刻恢复到初始状态。这种可逆的剪切增稠性能，让STF成为一种新兴的吸能材料，在柔性防弹衣、头盔等领域具有广泛的应用前景。然而，STF是一种高粘度和高吸湿性的液体，难以与基体材料进行复合，而且在使用过程中其分散介质的吸水、挥发，及分散颗粒的沉淀等行为都会严重降低剪切STF的性能，从而限制了STF的实际应用，同时STF的剪切增稠行为也使得传统在溶液中的剪切乳化合成不同粒径微胶囊的途径成为挑战。因此，研发新型多功能的STF及合适的微胶囊化工艺成为学界和业界争相努力突破的方向。

  近日，香港科技大学杨晶磊教授巧妙利用STF随助剂挥发表现的流变性能反转，开发了一种一锅法直接微胶囊化STF的制备方法。研究人员使用的是一种新型的离子液体基STF（ILSTF），ILSTF具有低初始粘度、低挥发性、分散体系高稳定性等优点，而且相比于传统醇基STF，ILSTF具有更优异的剪切增稠性能（图1），其导离子特性使其具备了多功能潜质。

  研究人员采用油/油乳液溶剂蒸发的方法，首次通过一锅法直接机械搅拌乳化制备了ILSTF微胶囊。微胶囊的制备需要先将芯材剪切乳化，但是STF的剪切增稠效应使之难以直接剪切乳化。目前相关报道中只有通过微流控的方法制备了毫米级尺寸的STF胶囊，尚无通过一锅法机械搅拌制备STF微胶囊的方法。研究人员巧妙利用溶剂蒸发法制备微胶囊的原理，先使用大量的丙酮溶剂稀释ILSTF，使芯材流变性能反转，从剪切增稠变成剪切变稀，从而得以通过机械搅拌方式直接乳化芯材。在微胶囊成壳过程中，随着溶剂的逐渐挥发及ABS壳材的相分离析出，芯材最终只剩下纯ILSTF，再次出现流变性能反转，恢复其剪切增稠性能，从而首次成功通过一锅法制备了微米级尺寸的ILSTF微胶囊（图2）。研究人员系统性地研究了ILSTF微胶囊成壳行为和参数的影响和优化，最终制备了具有优异热稳定性、芯材含量高、机械性能好、粒径可控的ILSTF微胶囊（图3）。

图2. ILSTF 微胶囊的制备和性能表征

  基于ILSTF微胶囊的成功制备，研究人员探究了ILSTF微胶囊的吸能应用，通过将ILSTF微胶囊加入PDMS基体中，有效地提高了PDMS的抗冲击性能。ILSTF 微胶囊改性PDMS（ILSTF MCs/PDMS）的吸能能力分别比纯PDMS和IL MCs/PDMS提高了30%和67%。在落球冲击测试中，涂覆PDMS涂层和IL MCs/PDMS涂层的玻璃基底都出现破损，而ILSTF MCs/PDMS涂层有效地保护了玻璃基底（图4）。

  由于离子液体不但具有低挥发性和高热稳定性，而且具有高导电性等性能，研究人员又进一步探究了ILSTF微胶囊的电化学应用。研究人员发现，相比于传统的PEGSTF，ILSTF具有良好的导电性；并据此设计了一种“三明治”结构的剪切增稠柔性导体（STFC）。在ILSTF MCs/PDMS层的保护下，STFC不但具有良好的抗冲击性能，而且当导体出现损伤时，微胶囊破损后流出的ILSTF芯材能自动修复导电通路，重新点亮灯泡（图5）。因此，这种既能增强基体抗冲击性能又能自主修复导电性能的ILSTF微胶囊，在柔性电子、电池安全等领域具有重要的潜在应用。

  该工作已发表在近期的Chemical Engineering Journal 上，文章题目为“Direct Microencapsulation of Ionic-Liquid-Based Shear Thickening Fluid via Rheological Behavior Transition for Functional Applications”，第一作者为陈树生博士，华南理工大学蒋震宇教授团队参与合作，共同通讯作者为华南理工大学张鹤副教授和香港科技大学杨晶磊教授。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140819

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