吉林大学李洋教授ACS AMI：高强度、透明且自修复的离子凝胶，用于可靠的应变传感器

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离子凝胶通过将大量离子液体（IL）固定在聚合物网络中而形成。迄今为止，通过溶胶-凝胶加工、离子液体中单体的聚合、离子液体与聚合物的共混以及离子液体中凝胶剂的自组装，已经成功地制备了具有不同机械性能和离子电导率的离子凝胶。然而，在其应用期间，离子凝胶通常经受反复的挤压、刺穿、刮擦或切割，从而使其易于疲劳或破裂并最终失去其原始功能。因此，寻找一种简单有效的方法来提高离子凝胶的耐久性和使用寿命非常重要。

自我修复功能的引入延长了材料的使用寿命并降低了其维护成本。然而，几乎所有现有的自修复离子凝胶都非常柔软，拉伸应力小于1 MPa，应变小于500％。具有互补的非共价键的两种或更多种类型的聚合物可以在溶液中或在底物-溶液界面处自组装成聚合物络合物。并且，聚合物之间非共价相互作用的可逆性赋予了基于聚合物配合物的材料以愈合能力。因此，聚合物络合物适合于便捷地制造具有高机械性能的自修复聚合物材料。

基于此，吉林大学李洋教授课题组在国际期刊ACS Appl. Mater. Interfaces (IF 8.758)上发表题为“Polymeric Complex-Based Transparent and Healable Ionogels with High Mechanical Strength and Ionic Conductivity as Reliable Strain Sensors”的研究论文，报道了一种具有高机械强度和离子电导率的透明且自修复的离子凝胶的制备策略。

本文要点：

本文报道了一种具有高机械强度和离子电导率的透明且自修复的离子凝胶的制备策略。通过将1-乙基-3-甲基咪唑鎓双氰胺（[EMIm] [DCA]）固定在聚乙烯醇（PVA）-PVP配合物的聚合物网络中来完成的。

在PVA与PVP和结晶的PVA片段之间形成的氢键有助于增强离子凝胶的机械强度。所得的离子凝胶显示出良好的机械性能，拉伸应力为7.7 MPa，应变为821％，回弹力良好。由于PVA-PVP配合物与[EMIm] [DCA]之间具有高度的相容性，因此所得的离子凝胶是透明的，具有19.7 mS cm^-1的高离子电导率。

良好的机械性能和优异的离子电导率相结合，有助于在较宽的应变范围（0.1-400％）内产生快速且可重复的传感信号。此外，由于氢键的可逆性，所得的离子凝胶在受到机械损伤后可以愈合，并恢复其机械性能，导电性和感测能力，从而确保了其作为应变传感器的可靠性和使用寿命。

图1.（a）PVA/PVPm/ILn离子凝胶的制备方案。

（b）PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的透射光谱。插图：PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的照片。

（c）蝴蝶和（d）小熊形PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶。为了帮助可视化，将离子凝胶分别染成蓝色和棕色。

（e）照片显示在-15^oC下拉伸至500％应变前后的PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶。

图2.（a）照片显示了PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的扭曲（左），重量保持在1500g（右）。

（b，c）不同IL含量（b）和PVP含量（c）的PVA/PVPm/ILn离子凝胶的应力-应变曲线。

（d）文献中报道的PVA/PVPm/ILn离子凝胶和其他可修复离子凝胶在室温下拉伸应力与离子电导率的Ashby图。

（e）PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的连续循环应力-应变曲线。

（f）从其磁滞回线面积计算出的PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的耗散能量。

（g）在室温下保存不同时间后，PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的循环应力-应变曲线。

（h，i）在不同温度下具有不同IL含量（h）和PVP含量（i）的PVA/PVPm/ILn离子凝胶的离子电导率。

图3.（a）照片显示PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的愈合能力。插图：PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶愈合区域的光学显微镜图像。

（b）愈合后的PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的重量为1500g的照片。

（c）愈合10、30和60分钟后，原始和切割的PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的应力-应变曲线。（d）在切割和愈合1小时期间，PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的电阻率变化。

（e）原始的PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶和PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶在不同切割和愈合周期后的应力-应变曲线。

（f）在不同的切割和愈合周期后，PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的愈合效率和电导率的变化。

图4.（a）原始和已修复的基于PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的传感器的相对电阻变化及其应变之间的关系。

（b，c）在小应变（b）和大应变（c）下，基于原始和已修复的PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶传感器的相对电阻变化。

（d）原始和已修复的基于PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的传感器的相对电阻在500％的加载/卸载循环中的应变为50％时的变化。插图：在加载和卸载的最后10个周期内，原始和已修复的基于PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的传感器的相对电阻变化。

图5.（a）在手指的不同弯曲角度下，固定在食指关节上的基于PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的传感器的相对电阻变化。

（b）握拳，旋转前臂并弯曲肘部时，附着在肘窝上的基于PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的传感器的相对电阻变化。

（c）在步行和跳跃过程中，附着在膝盖上的基于PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的传感器的相对电阻变化。

（d）在测量脉搏时，固定在手腕上的基于PVA/PVP0.4/IL2离子凝胶的传感器的相对电阻的变化。

原文链接
https://doi.org/10.1021/acsami.0c18832

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