论文总字数：19524字

摘 要

离子凝胶是一种安全的凝胶电解质，由于其燃烧性低，热稳定性好，电化学稳定性好，具有广阔的应用前景。然而，传统的离子液体基离子凝胶主要面临机械性能差的挑战。本文采用溶胶-凝胶结合自由基聚合交联的方法，设计并制备了一种无机/有机双网络离子凝胶，显示出了很好的力学性能。本文的双网络离子凝胶中有机网络为HEMA和PEGDA交联剂自由基聚合交联形成。无机氧化硅网络由TEOS在甲酸催化下发生的溶胶-凝胶反应形成。在离子凝胶中包裹氯化胆碱和乙二醇的混合溶液作为共晶溶剂。本文在控制溶剂组分占总质量为30wt％不变的情况下，对比单体HEMA为30wt％、40wt％、50wt％不同体系下其拉伸性能和压缩性能的差异。发现离子凝胶在添加了有机骨架后比纯无机的力学性能有了明显提升。

关键词：双网络离子凝胶；交联；力学性能；电导率

Abstract

Ionic gel is a kind of safe gel electrolyte, which has a wide application prospect because of its low combustibility, good thermal stability and electrochemical stability. However, the traditional ionic liquid based ionic gels are mainly faced with the challenge of poor mechanical properties. In this paper, an inorganic/organic double network ionic gel was designed and prepared by the method of sol-gel combined with free radical polymerization, which showed good mechanical properties. In this paper, the organic network was formed by radical polymerization of HEMA and PEGDA. The inorganic silica network was formed by sol-gel reaction of TEOS catalyzed by formic acid. A mixture of choline chloride and ethylene glycol in an ionic gel is used as a eutectic solvent. In this paper, the difference of tensile properties and compression properties of HEMA in different systems with 30wt %, 40wt % and 50wt % was compared under the condition that the proportion of solvent component in the total mass remained unchanged. It was found that the mechanical properties of ionic gel were improved obviously after adding organic skeleton than that of pure inorganic gel. The optimal formula was found through continuous experiments, and the properties of the ionic gel were further studied by tensile and compression tests and conductivity characterization.

Key Words: Dual network Ionogel; Crosslinking; Mechanical property; Conductivity

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1离子液体凝胶概述 1

1.2离子凝胶的种类和性能 1

1.2.1机械性能 2

1.2.2电化学性能 3

1.2.3热学性能 3

1.3离子凝胶的主要应用 4

1.3.1锂离子电池 5

1.3.2功能膜材料 5

1.3.3生物传感器 6

1.4双网络（DN）离子凝胶概述 6

1.5本文研究内容 7

第二章 PHEMA/SiO₂ DN离子凝胶的制备与表征 8

2.1体系的设计 8

2.2实验原料与仪器 8

2.3实验部分 9

2.3.1 PHEMA/SiO2 DN离子凝胶的制备 9

2.3.2不同体系PHEMA/SiO₂ DN离子凝胶的配比 10

2.4力学与导电性能表征 10

第三章 结果与讨论 12

3.1离子凝胶的力学性能分析 12

3.1.1不同体系间拉伸性能对比 12

3.1.2不同体系间压缩性能对比 14

3.2 PHEMA/SiO₂ DN离子凝胶的导电性能 15

第四章 结论与展望 16

4.1结论 16

4.2展望 16

参考文献 17

致 谢 22

第一章 绪论

1.1离子液体凝胶概述

离子液体是低熔点盐，具有低挥发、热稳定性、高离子电导率和宽的化学窗口。通过在固体骨架中填充离子液体而得到的新型杂化材料称之为离子液体凝胶。与传统水凝胶相比，离子液体凝胶既保持了原有的力学性质,也解决了一些离子液体容易蒸发或泄露的问题。此外，由于离子液体凝胶优良的机械性能，在生活也受到了人们的广泛需求。离子液体凝胶有很多种,按照凝胶的来源以及组分与组分之间作用力的差异，我们把它分为有机型、无机型和混合型三大类^[1]。此外，离子液体的化学稳定性也十分优异。正是因为离子液体具备稳定、不挥发等特点,使得离子液体凝胶具有广泛应用于生物传感器、锂电池、功能膜混合材料等用途。此外，由于离子凝胶具有生物相容性好以及可降解的特点，可以充当生物活性传感器^[2-5]用于检测多酚类、多巴胺等生物活性分子。

然而,传统合成的离子液体凝胶仍然存在着一些明显的缺陷，如内部结构不匀称、机械性能差等。纯粹地通过提高凝胶的交联度不但会直接使得凝胶网络在受到外力作用发生形变^[6-9]、除去作用力能恢复到原来形状的能力大大下降,而且脆性也会大大上升,因此这种方法对于提高合成离子液体凝胶结构力学强度的实际应用程度有限^[10]。通过近几年的研究发现，高强度的离子液体凝胶的制备越来越多地受到了重视,同时离子液体凝胶的内部微观结构通过分子结构水平来改变也引起了生物学研究的极大兴趣。^[11]

1.2离子凝胶的种类和性能

由聚合物网络和电解质溶液组成的离子凝胶，由于其高拉伸性能，良好的透明度和生物相容性而备受关注。根据聚合物网络中溶剂的类型，离子凝胶大致可分为水性离子凝胶和非水性离子凝胶。水性离子凝胶，例如水凝胶，可以通过在交联剂和引发剂存在下在电解质溶液中使乙烯基单体聚合来实现。^[12-15]水凝胶已经广泛应用于改善机械性能的研究中，最突出的例子之一是基于聚丙烯酰胺（PAM）的水凝胶，它是通过在电解质溶液（如NaCl，KCl和LiCl）中单体丙烯酰胺（AAm）进行原位聚合而形成的。非水性通过聚合物网络在离子液体中以非共价键合（例如氢键，相分离和超分子相互作用）胶凝而形成的。制备通常是在有机电解质溶液中通过物理相互作用溶胀聚合物网络形成。最早的非水性离子凝胶主要由聚环氧乙烷（PEO）和锂盐的复合物制成。但是由于室温下锂离子迁移率很低，导致离子电导率很低。Lebideau等人^[1]根据凝胶聚合物中化学组分的差异对离子液体凝胶的性能进行了分类。可分为有机型、无机型和混合型三大类^[1]根据离子凝胶聚合物内部结构的不同,将离子凝胶划分为三类:离子凝胶型聚合物,无机离子凝胶、超分子离子凝胶。

相比传统的凝胶材料,例如有机凝胶和水溶性凝胶，离子液体的凝胶材料还具有许多独特的润滑性能^[16]；而离子液体增强其他材料的润滑和耐腐蚀性能最有效的办法就是通过添加一个离子凝胶润滑因子结合离子液体的润滑增强性能效应来制备凝胶材料,因此,离子液体凝胶的实际上具有良好的润滑和耐蚀性。此外,离子液体的凝胶材料还具有很高的结构可塑性^[17-19]和自身的愈合性^[20-21]等。

1.2.1机械性能

通过溶胶-凝胶的反应机理Horowitz^[22-23]等人利用聚二甲基硅氧烷制备了一种离子液体的质量分数高达80％，但依然能够表现出固体的性质并且可以进行独立支撑的离子液体凝胶。此外,凝胶本身还具有良好的机械抗变形和耐腐蚀能力,可同时承受高达5000次的循环机械外力。他们采用自聚合的方法成功制备了端基为聚二甲基丙烯酸酯基的咪唑类离子液体,福岛等人合成了一种含有单壁二氧化碳纳米管(SWNTs)的咪唑类聚离子弹性液体凝胶。由于其良好的机械稳定性和机械强度高的特点,被广泛应用于高强度的导电软材料领域。

请支付后下载全文，论文总字数：19524字