西交大胡建等人 Nature Materials：離子凝膠突破多項記錄！

【背景介紹】

離子凝膠（Ionogels），即離子液體（ionic liquids, ILs）溶脹的聚合物網絡，具有不易揮發、高的熱穩定性和電化學穩定性以及優異的離子導電性等優點，有望應用于可穿戴電子產品、儲能設備、致動器和傳感器等領域。然而，大多數離子凝膠表現出較弱的力學性能，通常表現出較低的斷裂強度（<1 MPa）、韌性（~1000 J m^-2）和模量（<0.1 MPa）。因此，離子凝膠主要用于不需要高力學性能的場合，而提高離子凝膠的力學性能將拓寬其應用范圍。含有大量溶劑的凝膠通常具有彈性，但韌性不足。包括離子凝膠在內的凝膠增韌策略通常采用耗散誘導增韌理論，該理論在水凝膠中已得到廣泛應用。但是，離子液體屏蔽了離子鍵，并限制了溶劑化鏈之間的氫鍵。同時，目前離子凝膠的斷裂強度、模量和韌性，遠低于高韌性水凝膠（斷裂強度為~7 MPa，模量為~210 MPa，韌性為~40000 J m^-2）。因此，亟需一種簡單的方法來制備高韌性離子凝膠。

【成果簡介】

近日，西安交通大學胡建教授和美國北卡羅萊納州立大學Michael D. Dickey（共同通訊作者）等人報道了一種簡單的“一步”法，即在離子液體中通過無規共聚兩種具有不同溶解度的常見單體，原位產生相分離的彈性和剛性相區，從而獲得了高強韌可拉伸的離子凝膠。作者以1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸鹽（1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate, EMIES）為溶劑，制備了聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）（P(AAm-co-AA)）離子凝膠。其中，丙烯酰胺和丙烯酸單體在EMIES中的無規共聚產生了共價交聯網絡，具有原位相分離結構。此外，富含聚合物的剛性相通過在聚合物鏈之間形成氫鍵來增強離子凝膠的韌性，而富含溶劑的彈性相能保持結構完整性以實現大的應變。實驗測試發現，所制備的離子凝膠具有高斷裂強度（12.6 MPa）、斷裂能（~24 kJ m^-2）和楊氏模量（46.5 MPa），同時具有高度可拉伸性（~600%應變），并具有自恢復性和形狀記憶特性。該概念還可以應用于其他單體和離子液體，為一步聚合過程中原位調節離子凝膠微觀結構和力學性能提供了一種有前途的方法。研究成果以題為“Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation”發布在國際著名期刊Nature Materials上。

【圖文解讀】

圖一、三種離子凝膠的示意圖 ? 2022 Springer Nature
（a）在PAA離子凝膠中，聚合物在EMIES中溶脹形成均勻的彈性網絡；

（b）在PAAm離子凝膠中，聚合物之間的氫鍵驅動聚集形成被EMIES包圍的剛性相分離域；

（c）在P(AAm-co-AA)離子凝膠中，氫鍵域通過高度溶劑化和軟域連接形成極高韌性的離子凝膠。

圖二、各種離子凝膠的照片、力學性能演示和SEM圖像?? 2022 Springer Nature
（a）純PAA、PAAm和P(AAm-co-AA)離子凝膠的照片（x=0.8125）；

（b）共聚離子凝膠可以提起1 kg的重量，而純PAA和PAAm離子凝膠不能；

（c-h）具有不同AAm摩爾分數（x）的共聚離子凝膠的SEM圖像（x=0是純PAA、x=0.5、x=0.75、x=0.8125、x=1是純PAAm）。

圖三、各種凝膠的力學性能?? 2022 Springer Nature
（a）具有不同單體濃度的離子凝膠的拉伸應力-應變曲線；

（b）四種凝膠的拉伸應力-應變曲線；

（c）比較四種凝膠的斷裂能、斷裂強度和楊氏模量；

（d）三種凝膠的壓縮曲線；

（e-f）比較該離子凝膠與軟骨、天然橡膠和各種凝膠的斷裂能、楊氏模量和斷裂強度。

圖四、P(AAm_0.8125-co-AA_0.1875)離子凝膠的自恢復、自愈合和形狀記憶特性?? 2022 Springer Nature
（a）在60 °C下儲存不同時間的離子凝膠的恢復性能；

（b-c）離子凝膠在60 °C愈合60 s后可以粘接在一起，并且在80 °C愈合1 h后可以提起1 kg的重量；

（d）原始和自愈合離子凝膠的拉伸曲線（80 °C，24 h）；

（e-f）螺旋形和花形離子凝膠的熱致形狀記憶行為。

【小結】

綜上所述，作者報道了一種簡單而通用的方法，通過一步法無規共聚使溶解性質迥異的兩種聚合物組分在離子液體中原位形成雙連續相分離結構，來合成高韌性離子凝膠。在變形過程中，富含聚合物相通過形成氫鍵耗散能量，而富含溶劑相則保持結構完整并穩定網絡。與現有離子凝膠相比，所制備的P(AAm-co-AA)離子凝膠在力學性能方面突破多項記錄，超高的斷裂強度（12.6 MPa）、斷裂能（約24000 J m^-2）和楊氏模量（46.5 MPa）。同時，該離子凝膠還具有高度可拉伸性（約600%應變），并具有自恢復、自修復和形狀記憶特性。原位相分離技術適用于各種常見的單體和離子液體，有助于相關研究人員方便地制備高力學性能離子液體凝膠并拓展其應用空間。

文獻鏈接：Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation. Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01195-4.

本文由CQR編譯。

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