用于柔性传感器的高抗拉强度离子凝胶的研究

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离子凝胶是由离子液体与聚合物复合而成并可以在极端温度下保持优异导电性的一种新型柔性透明材料,将其制备成电容式传感器,可望用于油气田勘探与监测等领域,然而,离子凝胶的拉伸强度低并且容易断裂限制了实际的推广使用。本文研究了离子液体与聚合物之间的静电相互作用对离子凝胶性能的影响,通过构建双网络结构,优化工艺条件,制备出具有高拉伸强度、高断裂伸长率与高电导率的离子凝胶,并考察其制备的传感器在弯曲与压缩过程中的传感性能。采用自由基聚合得到带不同电荷的网络并与离子液体复合形成离子凝胶,通过扫描电镜(SEM)考察聚合物网络的微观形貌,通过荧光标记法考察离子液体的分布状态并测试离子凝胶的拉伸强度、断裂伸长率和电导率,探究静电作用对离子凝胶性能的影响。结果发现:带不同电荷聚合物网络孔径尺寸差异较小,但中性的聚甲基丙烯酸羟乙酯(PHEMA)、聚丙烯酰胺(PAAM)网络形成的离子凝胶中,聚合物网络与离子液体之间无静电作用,离子液体含量低于20 wt%,并且分布不均一,其电导率低于0.02 S·m-1、断裂伸长率低于25%;而在带负电的聚2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(PAMPS)、带正电的聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯(PDMAEMA)、及同时带正负电的聚甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱(PSBMA)网络形成的离子凝胶中,聚合物与离子液体之间存在静电相互作用,离子液体含量超过65 wt%,并且均匀分布,其电导率高于1.2 S·m-1、断裂伸长率高于70%。研究表明,静电作用是形成具有高电导率与高断裂伸长率离子凝胶的关键因素。同时,通过构建双网络结构,考察PAMPS型离子凝胶第一网络的预聚液中交联剂含量(X)与第二网络预聚液的单体摩尔浓度(Y)对其拉伸强度、断裂伸长率和电导率性能的影响。实验发现,随着X的增加,第一网络的交联密度增加,离子凝胶的断裂伸长率与拉伸强度先升高后降低,并在X=4 mol%时达到最大值,电导率则随着X增加而降低;随着Y的升高,第二网络的摩尔质量增大,离子凝胶的断裂伸长率与拉伸强度也呈先增加后降低的趋势,并在Y=3 mol·L-1时达到最大值,离子凝胶的电导率随Y的增高而降低。通过优化工艺参数,最终得到了拉伸强度为0.5 MPa、断裂伸长率达到190%、电导率为1.9 S·m-1的双网络PAMPS离子凝胶。在-80℃至80℃温度范围内,离子凝胶的电导率可保持在1.2 S·m-1到5.3 S·m-1之间。具备了在极端温度条件下使用的性能。最后,采用PAMPS型离子凝胶制备了柔性透明的电容式传感器,考察其在多次弯曲与压缩过程中的传感性能。实验表明,在0°至90°的弯曲条件下,经过1000次的循环过程后仍保持良好的传感性能;当压力从5 kPa增加到130 kPa时,电容从1pF变化到10pF并呈线性增加;在-80℃到80℃温度范围内,该柔性透明传感器仍具有稳定的传感性能,可为极端温度条件下的油气田勘探与监测提供一种新的器件选择。
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