一种离子弹性体、制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种离子弹性体、制备方法和应用。该离子弹性体是由丙烯酸酯为单体，锂盐为电解质，通过“一锅法”在60℃条件下原位自由基聚合得到。其中，高分子链段中的羰基与锂盐中的锂离子之间可以形成较强的配位键，从而使得所制备的离子弹性体具有高拉伸性、高断裂强度、自修复性以及良好的热稳定性，同时在较宽的温度范围内具有良好的导电性。所公开的离子弹性体在柔性电子皮肤、人体运动监测、智能机器人和人机交互等领域具有广阔的应用前景。器人和人机交互等领域具有广阔的应用前景。器人和人机交互等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种离子弹性体、制备方法和应用


[0001]本专利技术属于高分子材料
，具体涉及一种离子导电弹性体材料，尤其涉及一种离子弹性体、制备方法和应用。

技术介绍

[0002]弹性体是指在去除外力后可以恢复到其原始状态的材料。传统的弹性体由于其出色的机械性能和多样化的功能已被研究并长期使用。随着软离子电子器件的出现，迫切需要开发新型离子弹性体。为了满足柔性电子的严格要求，研究者希望离子弹性体具有优良的机械性能——包括坚固性和一定的自愈能力——以及光学透明度和良好的导电性等属性。
[0003]近年来，含有可移动离子的导电水凝胶，被认为是离子弹性体的一种理想候选材料，该类水凝胶已经在离子皮肤、软致动器等方面得到了广泛的研究。但是，由于水凝胶中的水分会缓慢蒸发，从而减弱其机械和电学性能，因此，基于水凝胶的器件仍然不能在空气中长久使用。随着离子电子学的发展，基于离子液体的离子凝胶，因其不挥发性、优异的热稳定性和离子导电性而备受青睐。但是，离子凝胶仍然可能发生离子液体泄漏的问题。
[0004]本专利技术通过聚合物网络和固体盐来组成离子弹性体，利用锂盐中的锂离子与聚合物网络之间的相互作用形成配位键，由于不包含液体，从而解决液体挥发、泄漏的问题。并通过对聚合物进行结构设计在降低原料成本和制备难度的基础上，进一步提高所得离子弹性体的性能。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在开发一种高性能离子弹性体的制备方法。制备得到的离子弹性体由于不含液体，克服了液体泄漏的问题。本专利技术通过可拉伸的聚合物和可移动的锂盐相结合得到离子弹性体，具有优异的拉伸性能、良好的导电性和一定的自修复性能。该离子弹性体材料在柔性电子皮肤、人体运动监测、智能机器人和人机交互等领域具有广阔的应用前景。
[0006]本专利技术的目的通过下述技术方案予以实现。
[0007]一种离子弹性体的制备方法，包括如下步骤：以高分子单体和锂盐为原料，采用热引发进行原位自由基聚合，合成离子弹性体；所述的高分子单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2
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乙基己酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸2
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羟乙酯、丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸五氟丙酯、丙烯酸苯乙醚酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸己酯和甲基丙烯酸三氟乙酯中的一种或两种。
[0008]进一步地，所述的以高分子单体和锂盐为原料，采用热引发进行原位自由基聚合，合成离子弹性体包括：在不添加溶剂的情况下，将所述的高分子单体和锂盐以及热引发剂混合搅拌均匀，形成透明的前驱体溶液；随后，将得到的溶液注入玻璃模具中，并利用硅橡胶进行间隔，在60℃条件下反应10
‑
14h，由于高分子单体可以通过热引发剂进行聚合，因此在模具中生成离子弹性体；然后，将弹性体从玻璃模具上剥离，即可获得所述的离子弹性
体。
[0009]将所选的高分子单体和锂盐以及热引发剂混合搅拌均匀，形成透明的前驱体溶液。随后，将得到的溶液注入玻璃模具中，并利用1
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2毫米厚的硅橡胶进行间隔，在60℃条件下反应10
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14h。单体通过热引发剂引发聚合后，可以在设计的模具中生成离子弹性体。然后，将制备的样品从模具中剥离即可得到所需要的离子弹性体。
[0010]其中所述的高分子单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2
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乙基己酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸2
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羟乙酯、丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸五氟丙酯、丙烯酸苯乙醚酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸己酯和甲基丙烯酸三氟乙酯中的一种或两种；
[0011]所述的锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)；
[0012]所述的单体与LiTFSI的质量比为7～1:1。例如，所述的单体与LiTFSI的质量比为1:1、1.5:1、2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1或7:1。
[0013]作为优选，所述的单体为丙烯酸2
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乙基己酯，基于该单体的离子弹性体性能优异，且与锂盐具有良好的相容性。
[0014]作为优选，丙烯酸2
‑
乙基己酯和锂盐的质量比为7～1:1。
[0015]聚丙烯酸2
‑
乙基己酯的玻璃化温度较低，具有很强的柔性，而羰基和锂离子之间的配位键则可以增强离子弹性体的强度，对两者进行调控可以有效改善离子弹性体的机械性能。因此，合理地调整丙烯酸2
‑
乙基己酯和LiTFSI的比例，可以调节弹性体的断裂长度、强度和模量。
[0016]本专利技术通过分子设计，制备了一种机械性能可调、能自修复的离子弹性体。在该离子弹性体中，聚合物主链上的羰基和锂离子之间可以形成配位键，而双三氟甲烷磺酰亚胺离子则能和聚合物链上的氢原子形成氢键。通过提高锂盐含量，可以增加离子弹性体中的配位键和氢键数量，从而提高其断裂强度；同时，由于配位键和氢键都属于动态的非共价相互作用，在拉伸过程中，两种相互作用可以不断地被破坏和再生，从而将能量耗散，使离子弹性体具有超高的韧性。
[0017]所述的热引发剂为过氧化二苯甲酰、过硫酸盐或偶氮二异丁腈(AIBN)。
[0018]作为优选，所述的热引发剂为AIBN。
[0019]作为优选，所述的热引发剂用量为单体质量的0.1
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0.5wt％。例如，所述的热引发剂用量为单体质量的0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％或0.5wt％。
[0020]作为优选，所述的反应时间是10h，温度为60℃。
[0021]本专利技术所选的高分子单体价格低廉，工艺简单，可控性高，无需昂贵设备，可以大规模生产，得到的离子弹性体中不含液体，且具有优异的拉伸性能、高断裂强度和一定的自修复性能，具有广阔的应用前景。
[0022]本专利技术还提供一种由上述方法制备得到的高性能离子弹性体，作为优选，该离子弹性体中包含的聚丙烯酸2
‑
乙基己酯和LiTFSI分别为式Ⅰ、式Ⅱ所示的化合物。
[0023][0024]其中，式Ⅰn的范围为500
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1000；
[0025][0026]该离子弹性体具有优异的拉伸性能、可调的机械强度，同时具有一定的自修复性，并在较宽的温度范围内具有较高的离子电导率。
[0027]通过对分子结构进行调控，本专利技术制备了一种拉伸性能优异、机械强度可调、具有一定自修复性和较高离子电导率的离子弹性体。锂盐中的阴、阳离子可以分散在聚丙烯酸酯形成的聚合物网络中，在外电场作用下，这些分散的离子可以在聚合物网络中发生迁移，从而使该弹性体进行离子传导。而这些离子和聚合物链段之间形成的非共价相互作用(如配位键、氢键等)，则可以赋予该弹性体良好的力学特性。
[0028]本专利技术的有益效果体现在：
[0029](1)本专利技术中涉及的离子弹性体，制备工艺简单，可控性高，无需昂贵设备，原料价格低廉，易于大规模生产。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子弹性体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：以高分子单体和锂盐为原料，采用热引发进行原位自由基聚合，合成离子弹性体；其中所述的高分子单体为丙烯酸甲酯、丙烯酸乙酯、丙烯酸丁酯、丙烯酸2
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乙基己酯、丙烯酸辛酯、丙烯酸2
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羟乙酯、丙烯酸三氟乙酯、丙烯酸五氟丙酯、丙烯酸苯乙醚酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸己酯和甲基丙烯酸三氟乙酯中的一种或两种。2.根据权利要求1所述的离子弹性体的制备方法，其特征在于，所述的以高分子单体和锂盐为原料，采用热引发进行原位自由基聚合，合成离子弹性体包括：在不添加溶剂的情况下，将所述的高分子单体和锂盐以及热引发剂混合搅拌均匀，形成前驱体溶液；随后，将得到的溶液注入模具中，在60℃
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80℃条件下反应10
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14h，在模具中生成离子弹性体；优选地，所述锂盐为双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)。3.根据权利要求1所述的离子弹性体的制备方法，其特征在于，所述的高分子单体为丙烯酸2
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乙基己酯。4.根据权利要求1所述的离子弹性体的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓林，占卫青，邹志刚，
申请(专利权)人：闽都创新实验室，
类型：发明
国别省市：