离子液体EMI-TFSI用于人工皮肤新突破
- 2022-06-04 14:39:12
- 离子液体热力学 转自文章
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应变传感器在柔性可穿戴领域中具有广泛的应用,传统的应变传感器通常是基于材料发生机械形变后而引起阻值改变,将外界的力信号转化为电信号。为实现良好的传感性能,通常将一些功能化的无机粒子、液体金属以及碳材料引入到聚合物弹性体,但是这些无机粒子与聚合物基体表面能差异过大,导致其与聚合物相容性较差。另外,这些无机粒子的引入也易带来团聚等问题,更重要的是,过量的引入会增加复合材料的刚度。最近,利用离子传导机理,以水凝胶为代表的应变传感器逐渐进入人们的视野。水凝胶不仅具有良好的柔性,而且优异的导电性能,通过化学或离子交联作用赋予水凝胶良好的结构稳定性。但是水凝胶在室温下若不进行封装处理,水凝胶中的液体会逐渐挥发直至变干,从而影响其使用性能。 二、研究成果近日, 首尔大学 Hong Chul Moon教授 课题组在人工皮肤领域取得重要进展。该工作首先采用阳极交换反应制备了离子液体[EMI][TFSI],然后以2-(苯基羰基硫代)-2-苯乙酸乙酯为链转移剂,采用可逆加成断裂链转移聚合法 合成了一系列不同摩尔比的PMMA-r-PBA共聚物和相应的均聚物。 将合成的PMMA-r-PBA共聚物和[EMI][TFSI]离子液体以质量分数4: 6进行共混,然后将混合均匀的共混物倒入矩形模具中成型得到透明的离子凝胶。该离子凝胶中的PMMA共聚物和低玻璃化转变温度的离子液体能有效分散外界的应力,其 伸长率高达850%、 弹性模量为3.1×10^ 5 Pa,且 进行500次拉伸-恢复循环后,其形变恢复率高达96.1%。除此之外,该离子应变传感器的 灵敏度高达2.73,且具有 较高的循环稳定性(>13000次循环),同时,该离子传感器成功应用于人体可穿戴健康监测设备。该工作以标题“Ionoskins: Nonvolatile,Highly Transparent, Ultrastretchable Ionic Sensory Platforms for Wearable Electronics” 发表于国际顶级学术期刊 Advanced Functional Materials上。首尔大学HongChul Moon教授为本文的通讯作者。
图 1 离子凝胶在拉伸前后离子液体状态的变化 三、结果讨论
图 2(a) 均聚 PMMA和 88-PMMA-r-PBA基离子凝胶的小角 X-射线闪射图 ; (b) 分别为含 60wt%[EMI][TFSI]、含 40 wt% PMMA、 PEMA、 89-PMMA-r-PBA及 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶的应力 -应变曲线 ; (c) 88-PMMA-r-PBA离子凝胶在应变为 0%、 400%及 850%条件下的拉伸效果图 ; (d) 离子凝胶在拉伸前后离子液体状态的变化。 PMMA-r-PBA共聚物中的 PMMA单元与离子液体及低玻璃化转变温度的 PBA单元之间协同效应使得 88-PMMA-r-PBA基凝胶具有反常的高拉伸应变行为。另一方面,低玻璃化转变温度的 PBA能起到分散应力的作用,进一步提高了离子凝胶的伸长率。作者为了解释该现象,将高玻璃化转变温度的 PS单体与 PMMA进行接枝,其结果表明, PMMA-r-PS的伸长率仅为 530%,其值小于 PMMA-r-PBA离子凝胶伸长率 (850%)。
图 3(a) 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶的阻抗随频率的变化关系; (b) 离子液体 [EMI][TFSI]间的不同配比对 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶力学性能的影响; (c) 88-PMMA-r-PBA离子凝胶的应力 -应变曲线及 (d)拉伸 -释放循环次数对恢复比率的影响。离子凝胶的电阻来源于其阻抗,而离子凝胶的电导率与离子液体的浓度有关,随着离子液体添加量的增加,其电导率显著提高,但当离子液体添加到一定的浓度后,离子凝胶的鲁棒性降低。当离子凝胶含 50wt%共聚物时,其弹性模量可达 5.4× 105Pa,但如此高的弹性模量阻碍了离子凝胶的伸长率。为了使上述性能相互匹配,当88-PMMA-r-PBA离子凝胶含40wt%共聚物时,其伸长率可达850%及离子电导率可达0.31 mS/cm,更适合作为应变传感器使用,另一方面,在给离子凝胶施加500次的往复拉伸-恢复循环后,其形变恢复率高达96.1%。以上充分表明,低玻璃化转变温度的离子液体与PMMA共聚物间的协同作用使其离子应变凝胶取得了优异的耐久性和良好的延展性。
图 4(a) 由 LED及 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶构成的电路图以及改变 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶拉伸比率改变 LED的亮度; (b) 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶的应变对应相应的阻值的改变; (c)88-PMMA-r-PBA离子凝胶的灵敏度; (d) 不同的拉伸 -释放循环次数对 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶稳定性的影响; (e) 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶的稳定性随放置时间的稳定性曲线; (f) 88-PMMA-r-PBA 离子凝胶的灵敏度与相关文献报道的对比图。在由 LED、离子凝胶以及电源构成的简单电路中,通过改变离子凝胶的伸长率,起到调节其电阻的作用,达到能够灵活调节 LED亮度的目的。在一系列不同拉伸条件下产生的相对电阻与其形变量之间拟合得到离子凝胶的最大灵敏度为 2.73,该灵敏度高于文献中所报道大多数应变传感器。一般情况下,对于一些灵敏度较高的应变传感器,由于基体中含有大量的无机填充物或碳材料,使其刚度显著增加,因此这些高模量的应变传感器的伸长率通常比较低。而本研究中的粒子凝胶应变传感器的应变值可达到 850%,且具有较高的灵敏度。
图 5(a) 离子应变传感器贴附于人体不同关节部位的示意图;将该应变传感器贴附于人体 (b)手指、 (c)肘部、 (d)膝盖和 (e)脚踝关节处时,传感器随着各个关节运动状态的改变产生不同的电阻信号。该离子凝胶应变传感器贴附于人体的手指、肘部、膝盖以及踝关节处,能灵敏地感知这些关节发生运动时所产生的电阻变化,为便携式、低成本的柔性可穿戴医疗设备提供了较高的参考价值。 四、研究小结本研究工作中利用 PMMA共聚物与低玻璃化转变温度的离子液体之间的协同效应,得到了高伸长率、高灵敏度以及耐久性的离子应变传感器,为开发柔性可穿戴医疗设备提供了可靠的依据。
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