无溶剂聚离子液体弹性体，具有高延展性和粘附性，适用于柔性传感应用

《European Polymer Journal》：Solvent-free poly(ionic liquid) elastomers with high stretchability and adhesion for flexible sensing applications

　　

Jingshi Liang|Xiaolin Shi|Zifei Zhao|Bo Liu|Chunling Zhang

吉林大学材料科学与工程学院，中国长春130022

摘要

作为一种柔性导电材料，离子凝胶本质上受到液态成分的限制，这可能导致泄漏和蒸发。本文通过将具有不同官能团（苄基、丁基、庚基和癸基）的咪唑鎓离子液体单体与柔软的丙烯酸酯单体共聚，制备了一类无溶剂的聚离子液体弹性体（PILE）。PILE在可见光范围（400–800 nm）内的透射率为91%，分解温度接近320°C。含有苄基的PILE具有0.87 MPa的拉伸强度和960%的断裂伸长率，这归因于苯环的结构刚性和阳离子-π相互作用。含有癸基的PILE的断裂伸长率达到了2920%，这归因于缠结和氢键的协同作用。PILE可以粘附在各种基底上，并在宽温度范围（-10°C至60°C）内保持粘附性。含有苄基的PILE在室温下的离子电导率为1.33×10^-4 S/m，并且对应变和温度具有良好的敏感性。这些综合性能使得PILE成为柔性传感器的候选材料。

引言

柔性导电材料在多个领域引起了极大的兴趣，并展现出巨大的潜力，包括离子皮肤[1]、[2]、[3]、人机交互[4]、[5]、[6]和人工智能[7]、[8]、[9]。它们需要具备良好的机械性能、高透明度、稳定性和离子导电性，以满足实际应用的要求。由于离子液体（ILs）的低挥发性、优异的热稳定性和离子导电性[10]、[11]、[12]，离子凝胶受到了广泛关注。然而，需要解决离子凝胶的导电性和拉伸性能之间的平衡问题。通常，大量的ILs可以提高离子凝胶的导电性，但也会导致机械性能下降[13]、[14]。此外，ILs在受到机械力作用时可能会泄漏[15]、[16]。

无溶剂的聚离子液体弹性体（PILE）完全由聚合物网络和移动离子组成，被研究作为离子凝胶的替代品[6]、[17]、[18]、[19]。PILE可以有效解决离子凝胶的缺点，因为PILE没有液态成分，阳离子固定在聚合物主链中。它们在空气中保持稳定，并且随着时间的推移仍保持原有的可拉伸性、透明度和导电性，几乎没有重量损失或衰减[20]、[21]。Zhang等人[22]通过将PILE整合到弹性体基质中，开发了一种新型的介电弹性体复合材料（DECs）。DECs表现出约3 MPa的机械强度、3.06×10^-5 S/m的离子导电性和90%的优异光学透明度。然而，其断裂伸长率仅为270%。Luo等人[23]通过将柔软单体和离子液体单体共聚，设计了一种PILE。所得PILE具有可调的机械性能和水下特性，这归因于自由移动离子的存在。这些性能使得PILE能够在空气和水下用于多功能传感。然而，之前报道的PILE仍然存在可拉伸性差[22]、[24]、[25]、离子导电性低[17]、[26]和光学透明度低[6]、[15]的问题。

在这项工作中，我们通过将咪唑鎓离子液体单体和柔软的丙烯酸酯单体共聚，设计了一类无溶剂的PILE。咪唑鎓离子液体单体是通过1-乙烯基咪唑与苄基溴化物或正烷基溴化物季铵化合成的。研究了不同官能团（苄基、丁基、庚基和癸基）对PILE的机械性能、粘附性和导电性的影响。这可能为开发由离子液体和丙烯酸酯单体组成的弹性体提供一些见解。这些无溶剂的PILE可以用于离子电子传感，包括应变传感器和传感阵列。

章节片段

材料

1-溴丁烷、1-溴庚烷、1-溴癸烷、苄基溴化物、1-乙烯基咪唑、2-甲氧基乙基丙烯酸酯（MEA）、锂双（三氟甲磺酰）酰亚胺（LiTFSI）、乙酸乙酯、己烷、硫酸钠、乙醚、四氢呋喃（THF）和2,2'-偶氮二（2-甲基丙腈）（AIBN）从上海阿拉丁生化科技有限公司购买。蒸馏水来自Milli-Q Millipore系统。

乙烯基咪唑鎓溴化物（VIB）和离子液体单体（VIT）的合成

VIB的合成方法参考了先前的报道[27]、[28]。

VITs和PILE的化学结构

图1a展示了VITs的合成过程。VITs是通过1-乙烯基咪唑与苄基溴化物或正烷基溴化物季铵化合成的，然后通过简单的阴离子交换获得。1H NMR光谱证实了VITs的成功合成（图S1–S4），并观察到了VITs中咪唑鎓阳离子中的–CH=CH2、苄基或正烷基以及活性氢原子（C-2、C-4和C-5）的特征峰。无溶剂的PILE是通过...

结论

通过离子液体单体和丙烯酸酯单体的共聚，成功制备了一类物理交联且无溶剂的PILE。PILE表现出良好的光学透明度和稳定性。网络结构中的丰富非共价相互作用，包括静电相互作用、阳离子-π相互作用/缠结和氢键，赋予PILE可调的强度、显著的延展性和良好的抗疲劳性。

CRediT作者贡献声明

Jingshi Liang：撰写——原始草稿、方法学、数据管理、概念化。Xiaolin Shi：软件、方法学、数据管理、概念化。Zifei Zhao：方法学、研究、数据管理、概念化。Bo Liu：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、监督、概念化。Chunling Zhang：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52573080）和吉林省科学技术局（编号20250601008RC）项目的资助。