西交大胡建等人 Nature Materials：离子凝胶突破多项记录！

【背景介绍】

离子凝胶（Ionogels），即离子液体（ionic liquids, ILs）溶胀的聚合物网络，具有不易挥发、高的热稳定性和电化学稳定性以及优异的离子导电性等优点，有望应用于可穿戴电子产品、储能设备、致动器和传感器等领域。然而，大多数离子凝胶表现出较弱的力学性能，通常表现出较低的断裂强度（<1 MPa）、韧性（~1000 J m^-2）和模量（<0.1 MPa）。因此，离子凝胶主要用于不需要高力学性能的场合，而提高离子凝胶的力学性能将拓宽其应用范围。含有大量溶剂的凝胶通常具有弹性，但韧性不足。包括离子凝胶在内的凝胶增韧策略通常采用耗散诱导增韧理论，该理论在水凝胶中已得到广泛应用。但是，离子液体屏蔽了离子键，并限制了溶剂化链之间的氢键。同时，目前离子凝胶的断裂强度、模量和韧性，远低于高韧性水凝胶（断裂强度为~7 MPa，模量为~210 MPa，韧性为~40000 J m^-2）。因此，亟需一种简单的方法来制备高韧性离子凝胶。

【成果简介】

近日，西安交通大学胡建教授和美国北卡罗莱纳州立大学Michael D. Dickey（共同通讯作者）等人报道了一种简单的“一步”法，即在离子液体中通过无规共聚两种具有不同溶解度的常见单体，原位产生相分离的弹性和刚性相区，从而获得了高强韧可拉伸的离子凝胶。作者以1-乙基-3-甲基咪唑乙基硫酸盐（1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate, EMIES）为溶剂，制备了聚（丙烯酰胺-co-丙烯酸）（P(AAm-co-AA)）离子凝胶。其中，丙烯酰胺和丙烯酸单体在EMIES中的无规共聚产生了共价交联网络，具有原位相分离结构。此外，富含聚合物的刚性相通过在聚合物链之间形成氢键来增强离子凝胶的韧性，而富含溶剂的弹性相能保持结构完整性以实现大的应变。实验测试发现，所制备的离子凝胶具有高断裂强度（12.6 MPa）、断裂能（~24 kJ m^-2）和杨氏模量（46.5 MPa），同时具有高度可拉伸性（~600%应变），并具有自恢复性和形状记忆特性。该概念还可以应用于其他单体和离子液体，为一步聚合过程中原位调节离子凝胶微观结构和力学性能提供了一种有前途的方法。研究成果以题为“Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation”发布在国际著名期刊Nature Materials上。

【图文解读】

图一、三种离子凝胶的示意图 © 2022 Springer Nature
（a）在PAA离子凝胶中，聚合物在EMIES中溶胀形成均匀的弹性网络；

（b）在PAAm离子凝胶中，聚合物之间的氢键驱动聚集形成被EMIES包围的刚性相分离域；

（c）在P(AAm-co-AA)离子凝胶中，氢键域通过高度溶剂化和软域连接形成极高韧性的离子凝胶。

图二、各种离子凝胶的照片、力学性能演示和SEM图像 © 2022 Springer Nature
（a）纯PAA、PAAm和P(AAm-co-AA)离子凝胶的照片（x=0.8125）；

（b）共聚离子凝胶可以提起1 kg的重量，而纯PAA和PAAm离子凝胶不能；

（c-h）具有不同AAm摩尔分数（x）的共聚离子凝胶的SEM图像（x=0是纯PAA、x=0.5、x=0.75、x=0.8125、x=1是纯PAAm）。

图三、各种凝胶的力学性能 © 2022 Springer Nature
（a）具有不同单体浓度的离子凝胶的拉伸应力-应变曲线；

（b）四种凝胶的拉伸应力-应变曲线；

（c）比较四种凝胶的断裂能、断裂强度和杨氏模量；

（d）三种凝胶的压缩曲线；

（e-f）比较该离子凝胶与软骨、天然橡胶和各种凝胶的断裂能、杨氏模量和断裂强度。

图四、P(AAm_0.8125-co-AA_0.1875)离子凝胶的自恢复、自愈合和形状记忆特性 © 2022 Springer Nature
（a）在60 °C下储存不同时间的离子凝胶的恢复性能；

（b-c）离子凝胶在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）原始和自愈合离子凝胶的拉伸曲线（80 °C，24 h）；

（e-f）螺旋形和花形离子凝胶的热致形状记忆行为。

【小结】

综上所述，作者报道了一种简单而通用的方法，通过一步法无规共聚使溶解性质迥异的两种聚合物组分在离子液体中原位形成双连续相分离结构，来合成高韧性离子凝胶。在变形过程中，富含聚合物相通过形成氢键耗散能量，而富含溶剂相则保持结构完整并稳定网络。与现有离子凝胶相比，所制备的P(AAm-co-AA)离子凝胶在力学性能方面突破多项记录，超高的断裂强度（12.6 MPa）、断裂能（约24000 J m^-2）和杨氏模量（46.5 MPa）。同时，该离子凝胶还具有高度可拉伸性（约600%应变），并具有自恢复、自修复和形状记忆特性。原位相分离技术适用于各种常见的单体和离子液体，有助于相关研究人员方便地制备高力学性能离子液体凝胶并拓展其应用空间。

文献链接：Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation. Nature Materials, 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01195-4.

本文由CQR编译。

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