多功能离子液体凝胶及其在柔性应变传感器中的应用

2022-03-13 23:28:57
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2421
摘要:物理交联的多功能离子凝胶,该离子凝胶具有高度透明(可见区>92%)、高度拉伸(高达2066%)、机械强度(断裂强度高达0.72 MPa)、高导电性(25°C时最高可达2.92 mS cm−1)、在空气和水下都能在室温下自愈。此外,该电离凝胶对水溶液和部分有机溶剂具有良好的耐水性,对多种基质具有较强的水下附着力,可通过乙醇溶解回收,再加工成任意形状。丰富的非共价键相互作用,包括氢键和离子偶极子相互作用,使离子凝胶具有优异的机械强度、回弹性和室温下快速自愈能力,而富氟聚合物基质对水和各种有机溶剂具有较高的耐受性。以及在水下对不同基材的粘附性。此外,基于离子凝胶的传感器对拉力或压缩的大范围变形具有灵敏、可重复的传感信号,包括在各种液体介质中的稳定应变传感,用于可靠、灵敏的可穿戴应变传感器监测人体运动。


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选择含氟单体2,2,2-三氟乙基丙烯酸酯(TFEA)作为聚合物基体,选择丙烯酰胺(AAm)作为共聚单体,引入氢键作用来调节离子凝胶的力学性能。选择1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺([EMIM][TFSI])作为电解质盐。 离子凝胶是通过在[EMIM][TFSI]中进行TFEA和AAm的简便地一锅光引发共聚而制备的,在定制的硅胶模具中不添加任何化学交联剂(图1a)。离子溶剂[EMIM][TFSI]可以通过离子偶极子相互作用与聚合物基体上的CF3基团相互作用,这有助于增强IL与聚合物基体的相容性,提高离子凝胶的稳定性。

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P(TFEA-co-AAm)和[EMIM][TFSI]的高混溶性保证了离子凝胶的良好均匀性,因此具有显著的光学透明度,制备的1.7 mm厚的iongel -4050在可见光区(400-800 nm)具有良好的透明度,平均透过率为92%。制备的离子凝胶样品具有良好的拉伸性能和机械强度,拉伸、扭转实验(图1c)和吊挂重量为1 kg(图1d)证明了这一点。iongel -4050的韧性最高,为3.66 MJ m−3,断裂应力为0.55 MPa,断裂应变为1828%。iongel -4050样品在这些溶剂中浸泡24小时后,仍然具有良好的抗拉强度和伸延性。由于聚合物链的多重非共价相互作用和高流动性,我们的离子凝胶在室温下没有任何刺激的情况下表现出了出色的自主自修复能力。 iongel -4050的玻璃化转变温度(Tg)为−27°C,其聚合物基体P(TFEA-co-AAm)的Tg为60°C。iongel -4050在室温下的低Tg是由于[EMIM][TFSI]的塑化作用,增强了链的流动性和弹性。采用热重分析(TGA)研究了iongel -4050的热稳定性,结果显示,当重量损失为5%时,iongel -4050的分解温度高达283°C。室温保存2个月后,电离层的形状保持良好,IL无渗漏现象,具有良好的储藏稳定性。从线性扫描伏安曲线得到的iongel -4050的分解电压超过3.5 V,表明该离子凝胶具有较宽的电化学窗口和较高的电稳定性。 基于离子凝胶的可穿戴式应变传感器,可以灵敏地检测和区分肢体弯曲、行走、跳跃等较大的身体动作,以及发音、脉搏等细微的肌肉动作。人们相信,所设计的离子凝胶将在可穿戴设备和离子电子学中显示出巨大的前景。

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离子液体是一类结构可设计,性能多样化的一类新型物质统称,应用领域广泛,用作:催化剂、吸收剂、萃取剂、阻燃剂、抗静电剂、导电助剂、润滑剂、杀菌剂,涉及领域:化工、医药、材料、半导体、生物、芯片、航天、显示、环保、通讯、润滑等...目前已见报道的离子液体根据分子结构和物化性质可分化四代。第一代离子液体主要的组分是作为阳离子的二烷基咪唑六氟磷酸盐/烷基吡啶六氟磷酸盐和作为阴离子的金属卤化物,他们是理想的电化学溶剂,然而对空气和水非常敏感。第二代离子液体由铵盐等作为常用的阳离子,而六氟磷酸盐等作为阴离子,从而可在空气和水中稳定。第三代离子液体则包括了氨基酸和胆碱等天然离子或者是具有生物活性的离子。而第四代则最早出现在2018年,他们与其他分子液体混合后或者溶解后可展现出独特的性能。图1离子液体中典型的阳离子和阴离子
何请 2022-03-18
Room-temperature ionic liquids are, as the name suggests, salts that exist in liquid states at room temperature. RTILs are of great interest to a variety of fields because they exhibit unique physical and thermodynamic properties, such as negligble vapor pressure, high thermal stability, high electrochemical stability, and low flammability. Moreover, ionic liquids exhibit high conductivity and a wide electrochemical window, which means that they are neither easily oxidized nor reduced, hence they are excellent candidates for efficient and green electrolytes in batteries. Due to the various potential applications RTILs promise, computer simulations of RTILs have widely propagated, and various combinations of different cations and anions have been designed and tested to further increase our knowledge in this field.Please note: this tutorial uses the general Amber force field (GAFF) force field to create an initial (not a “refined”) force field. Some aspects of the simulation results are not in as good agreement with experiment as the results presented in the papers listed above. This is a good object lesson: GAFF can get you started, and can provide results of reasonable accuracy. Depending on your needs, this may be enough. But it is often desirable to treat the GAFF results as a starting point for further refinement; the latter is usually system-specific, and is not covered in this tutorial.
2022-03-16
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