新型高拉伸离子凝胶的构筑及其机理研究

作     者：刘佳航 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋洪赞

授予年度：2020年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：离子凝胶 凝胶聚合物电解质 高拉伸 自修复 离子电导率 

摘      要：离子凝胶作为凝胶聚合物电解质材料,在柔性储能装置以及可穿戴电子设备、柔性传感器等器件上的应用需求越来越多。为满足功能性和智能性设备的可拉伸和扭曲变形等需求,制备柔韧性良好具有高拉伸性且导电性良好的离子凝胶电解质成为本领域的研究热点。本论文首先通过物理混合法制备了含有液晶织构的高拉伸可自修复聚乙烯醇(PVA)基物理型离子凝胶,然后通过化学交联法制备了分别以明胶和聚双丙酮丙烯酰胺(PDAAM)为基体的具有化学和物理交联点的高拉伸化学型离子凝胶。并对制备的高拉伸离子凝胶的机械性能、拉伸性能、导电性能、自修复性能等进行了详细的研究,其结果如下:(1)以PVA为基体材料,在氯化-1-烯丙基-3-甲基咪唑盐(AMIMCl)离子液体中,利用物理交联制备了高拉伸且可自修复的离子凝胶。在偏光显微镜下可观察到,随着PVA含量和拉伸程度的增加,液晶现象增强。流变学测试结果表明,随着PVA含量的增加,离子凝胶的储能模量逐渐增加,可达50 KPa,而且凝胶-溶胶转变温度从79 C增加到121 C。力学性能测试结果表明,制备的离子凝胶样品的断裂伸长率能够高达700%,具有优异的拉伸性能。电化学性能测试表明,其室温离子电导率随着离子液体含量的增加而提高,均在1.0×1055 S/cm之上,制备的传感器具有良好的循环稳定性。(2)以明胶为基体材料,在1-乙基-3-甲基咪唑乙酸盐(EMIMAc)离子液体中,进行席夫碱反应合成了具有优异自修复性能、高拉伸性能的新型化学交联型离子凝胶。流变学测试显示,这些离子凝胶的储能模量随着明胶含量和交联剂含量的增加而增加,温度扫描结果表明,随着温度的升高,物理交联点被破坏而使体系模量有所降低,但化学交联网络在高温140 C时仍不会被破坏,使得体系具有优异的热机械稳定性能。力学测试结果表明所制备的离子凝胶具有高拉伸性能,其断裂伸长率能高达400%左右。所有凝胶样品的室温电导率高于1.0×1033 S/cm,基于这种离子凝胶电解质组装成的超级电容器具有温度依赖性的比电容和出色的柔韧性。(3)以聚双丙酮丙烯酰胺(PDAAM)为基体材料,端丙烯酸酯基超支化聚酯(HP-A)为交联剂,在1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(BMIMTFSI)离子液体中制备了既有分子链间氢键相互作用形成的物理交联点又有超支化大分子构筑的化学交联中心的新型高拉伸离子凝胶电解质材料。测试结果表明,随着基体含量和交联剂含量的增加,储能模量逐渐增加,高达10 Pa左右。随着交联剂含量的增加,其断裂伸长率虽有所减小,但是强度却逐渐增强,所制备的离子凝胶的断裂伸长率最高可达1200%左右。所有凝胶样品的室温电导率均在1.0×1033 S/cm以上,具有潜在的应用价值。