科研速递 | 理工学院朱世平和张祺团队在Chemical Engineering Journal上发表文章

近日，香港中文大学（深圳）理工学院朱世平教授、张祺助理教授团队在《Chemical Engineering Journal》期刊上发表题为“Enhanced Stretchability and Robustness towards Flexible Ionotronics via Double-network Structure and Ion-dipole Interactions”的文章。

期刊介绍

Chemical Engineering Journal是工程技术类国际顶级期刊，以发表化学工程技术和新材料应用等方面的重要研究成果和创新技术为主。期刊一直以来被誉为化工领域三大顶级刊物之一，2021年影响因子为13.273，在中科院分区为工程技术类1区Top期刊。

研究背景

离子导电凝胶因其结构简单、拉伸性能优异、透明性好、易功能化等特点，近年来越来越多被应用到柔性电子器件领域。离子凝胶以所包裹的离子液体作为导电介质，可有效解决离子导电水凝胶或有机凝胶材料中溶剂挥发而导致性能不稳定的问题。为了达到高电导率通常需要加入高含量的离子液体，然而，离子液体对聚合物网络体系有塑化作用，会进一步降低凝胶的力学性能。因此，在离子凝胶中同时实现高强度、优异拉伸性以及高电导率，仍存在较大挑战。

研究方法

在该工作中，作者采用光聚合获得交联六氟丁基丙烯酸酯与丙烯酸甲酯的共聚物P(MA-co-HFBA)为基体材料，通过聚合-溶胀-聚合-离子液体浸泡的方法构筑双网络聚合物离子凝胶，其中，聚合物侧链上电负性较大的CF₃基团与离子液体EMITFSI中的咪唑阳离子发生离子-偶极相互作用，不仅有助于网络内形成物理交联点，也使得两层网络间产生相互作用，从而提高凝胶的力学性能。所制备的离子凝胶具有优异的透明性和力学强度（图1）。

图1. 双网络离子凝胶结构及性能示意图

作者通过调控交联密度和离子液体含量来研究体系组分对力学性能和电化学性能的影响，发现离子液体含量对力学性能的影响并不像交联密度那样往单一的方向改变，而是在30%含量的时候拉伸性能达到最优且拉伸强度无明显下降；同时，DSC数据表明20-40%离子液体含量对玻璃化转变温度的影响较少，佐证了力学强度在该区间变化较小。这些性能调控的表现可以归因为离子液体的增塑作用、双网络结构、网络内和网络间离子-偶极作用、以及聚合物固含量的共同影响结果，但在不同的离子液体含量下，占主导作用的因素有所变化（图2）。

图2. 离子凝胶的力学性能表征

另外，30%离子液体含量的凝胶不仅表现出优异的力学性能（5.6 MPa， 784%），而且电导率达到10⁻⁵ S cm⁻¹水平，同时具有长期存储、多次重复使用等稳定性。优异的综合性能下，该离子凝胶可用于电致发光和可穿戴传感器等器件应用（图3）。

图3. 离子凝胶应用于电致发光器件

研究结论

文章通过双网络结构和离子-偶极相互作用增强离子凝胶的力学性能，克服了离子液体的加入使聚合物材料力学性能受损的问题，制备得到高强度、优异拉伸性以及高电导率的离子凝胶，并展现了其在电致发光器件和可穿戴传感器方面的应用场景。该工作为开发高性能离子凝胶提供了一种有效的新策略。

作者简介

香港中文大学（深圳）朱世平教授和张祺教授为本文通讯作者。

朱世平，加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士、发展中国家科学院院士。浙江大学本科，加拿大 McMaster大学博士。2017年7月入职港中深，任副校长、理工学院讲座教授、深圳先进高分子材料研究院院长。朱教授长期致力于高分子材料工程科学的研究，专长聚合反应工程，研究领域：茂金属催化烯烃聚合、聚合过程建模、可控自由基聚合、及智能高分子材料开发。

张祺，香港中文大学（深圳）理工学院助理教授，校长青年学者。中山大学本科，浙江大学博士，加拿大 McMaster 大学博士后，于2018年3月加入港中深。近年来致力于智能高分子材料、含氟功能聚合物、特种胶黏剂等领域的基础与应用研究。迄今已在Adv. Funct. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、ACS Macro Lett.、Macromolecules等高分子、材料领域国际核心期刊发表学术论文60余篇，获授权发明专利12项，入选2021年度“未来化工学者”。

本文第一作者为邱文莲博士。

邱文莲博士， 中山大学本科，浙江大学硕士，墨尔本大学博士。2020年起在港中深开始博士后研究。主要研究方向为力致变色聚合物、高性能离子导电材料，以第一作者在ACS Appl. Mater. Interfaces、Macromolecul-es、Polymer Chemistry等高分子材料领域核心期刊发表多篇学术论文。

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