离子导电材料，包括水凝胶、离子凝胶等，在柔性可穿戴电子产品等领域获得广泛关注。由于其连续的导电相、出色的可拉伸性和透明度，软离子导体在传感器、柔性电极、电致发光装置、超级电容器和可拉伸摩擦纳米发电机（TENG）等领域都有应用。离子凝胶是聚合物网络分散在离子液体中形成的复合材料，继承了离子液体的许多独特特性，不挥发，不易燃，具有高热稳定和化学稳定性。这些特性使得离子凝胶可以在极端环境中长期稳定应用，而水凝胶存在脱水和工作温度范围狭窄的问题，因此离子凝胶被认为是水凝胶导体的理想替代品。然而，为了满足导电性的要求，需要在离子凝胶聚合物网络中加入大量的离子液体，这会导致材料的机械性能急剧下降，同时可能造成液体泄漏。如何制备同时具有高电导率和机械性能的离子凝胶是一个巨大的挑战。
近期，中科院化学所极端环境高分子材料实验室黄伟课题组和纳米能源所陈翔宇团队合作，用交联聚合物、离子液体和锂盐制备了具有高机械强度（2.29～5.19 MPa）、断裂伸长率（高达1062%）以及优良离子电导率（0.47～2.18 mS cm-1）的离子凝胶。通过锂盐诱导离子凝胶形成了微相分离结构（如图1a），其中刚性区域主要是通过锂离子与聚合物网络上的羰基氧之间的锂键形成的，而软性区域主要由亲离子液体的聚合物链组成。随着锂盐含量的增加，刚性区域的Tg1增大而软区的Tg2减小（图1e-f），这是因为刚性区域的聚集使过载的离子液体被挤出并渗透到软区。由于相分离尺度较小，离子凝胶具有超高的光学透明度（图1g）。
图1. 分相离子凝胶的结构示意图及结构表征
刚性区域为离子凝胶提供了强度和韧性，而软区则提高了离子凝胶的可拉伸性和离子导电率。随着锂盐含量的增加，材料的机械强度和断裂伸长率都提高明显（图2a-b），由于软区形成有效的离子运输通道，在加入锂盐后，离子电导率增加（图2c）。这实现了离子凝胶的机械性能和电导率的同时提高，解决了离子凝胶中机械强度和离子导电性之间的矛盾。
图2. 离子凝胶的力学和电学性能以及电阻型传感器的传感性能
用该离子凝胶制备了电阻型传感器和可拉伸TENG等软离子器件。电阻型传感器能够以高灵敏度监测人体运动和环境温度（图2i-k）。基于离子凝胶的TENG是完全透明的，并且在大变形和长期运行后仍保持稳定的能量收集性能（图3）。此外，还利用DLP 3D打印技术制造了高精度的柔性微电路和传感阵列（图4）。
图3
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基于离子凝胶的TENG示意图及输出性能
图4. DLP 3D打印基于离子凝胶的微电路和传感阵列
该工作以“Mechanically Robust and Highly Conductive Ionogels for Soft Ionotronics”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。文章第一作者是中科院化学研究所博士生张曼雯，通讯作者是中科院化学研究所黄伟研究员和于然副研究员、北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员。
该工作是团队近期关于3D打印高性能光固化材料相关研究的最新进展之一。在过去的几年中，基于光固化单体结构创新和材料微观结构控制，团队一直致力于制备高性能光固化材料体系：基于动态二硫键制备了具有室温快速自修复功能的交联型离子凝胶，该离子凝胶具有优异的弹性和耐疲劳性，用作柔性传感器时具有高灵敏度和优异的长期可靠性（J. Mater. Chem. A 2022）；设计合成了乳液型的水凝胶打印墨水，利用乳液水油双相共存的特性，直接使用具有高引发效率的油溶性光引发剂，解决了光固化3D打印水凝胶中水溶性光引发剂引发效率低导致的光固化速率低，无法打印的难题，实现了水凝胶的光固化3D打印（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021）；在乳液型打印墨水中引入油溶性单体，通过疏水性相互作用制备了高强高韧水凝胶 （ACS Appl. Mater. Interfaces 2022）；设计合成的新型结构有机硅树脂，通过3D打印制备了超可拉伸有机硅橡胶，断裂伸长率可达1400 %，是目前报道的伸长率最高的光固化橡胶（ACS Appl. Mater. Interfaces 2019）；设计合成多种功能性聚氨酯型光固化树脂（Chem. Eng. J. 2022；Polymer 2020；ACS Macro Lett. 2019）；通过分子结构设计，首次通过光固化3D打印制备了形状记忆材料（ACS Appl. Mater. Interfaces 2017）。
原文链接：https://dx.doi.org/10.1002/adfm.202208083
图文转载自【中国聚合物网】:http://www.polymer.cn/