摘要
近年来，离子凝胶由于其可调控的机械性能和电学性能而成为制备柔性电子器件的理想选择之一。但由于离子凝胶的力学性能普遍较弱，在日常的使用中难免受到损伤。因此亟需制备同时具有优异力学性能的，包括较高的机械强度或抗撕裂性能，及损伤修复能力的离子凝胶材料。从而一方面降低材料发生机械损伤的概率。另一方面，即使材料受到机械损伤时也可以通过外界刺激修复伤口并恢复其机械性能和电学性能，从而有效地提高材料在使用过程中的安全性和耐用性。本论文针对离子凝胶研究领域存在的上述问题，设计并制备了一系列具有优异力学性能的、透明的、可修复的离子凝胶材料，为解决离子凝胶目前力学性能较差及不抗撕裂的问题提供了研究思路和方法，并进一步拓展了离子凝胶在柔性应变传感器领域的应用。希望通过本论文的研究，可以为大规模制备具有特定优异力学性能的、可修复的离子凝胶柔性应变传感器做出一定的贡献。 1.如何制备高机械性能（断裂强度大于10 MPa）的离子凝胶柔性应变传感器是目前该研究领域内的难点。我们首先选用了与离子液体相容性很好的两种不同分子量的聚（ε-己内酯）二醇作为柔性链段；异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯；使用2, 2-二羟甲基丙酸和N, N-二叔丁基乙二胺作为扩链剂合成线性聚（脲-氨基甲酸酯）。然后以 Desmodur N3300 固化剂作为交联剂制备了高强度的动态交联聚（脲-氨基甲酸酯）（PUU）。在制得的交联PUU中，聚（ε-己内酯）二醇作为PUU的柔性链段为其提供软相；2, 2-双（羟甲基）丙酸可以基于羧基-羧基之间的氢键和大密度的氨基甲酸酯之间的强氢键为离子凝胶提供硬相。我们可以通过调节两种不同分子量的聚（ε-己内酯）二醇的比例调控体系中的软硬相的比例，从而调控PUU的机械性能。然后我们将离子液体分散到PUU内部，最终得到高强度（断裂强度高达 19.2 MPa）、高断裂伸长率（约为 1200%）、高透明性（在400-800 nm的透过率为95.31%）和优异的弹性的离子凝胶。该离子凝胶还同时具有高效的自修复性能，这主要源于体系内的多重氢键作用及由N, N-二叔丁基乙二胺与异氰酸酯反应得到大位阻脲键，这些可逆相互作用可以在热刺激的条件下被打开并重新形成，从而赋予该离子凝胶材料高效的修复性。我们将其封装成柔性应变传感器,该柔性应变传感器具有良好的灵敏度、高拉伸倍率、低滞后，可以检测不同的人体活动。 2.如何同时赋予离子凝胶应变传感器优异的抗撕裂性能和弹性是目前研究领域的难点。我们在第一个工作的基础上，以聚（ε-己内酯）二醇为柔性链，以4, 4-二氨基二苯醚和哌嗪作为扩链剂，Desmodur N3300 固化剂作为交联剂，最终合成了高强度的、具有优异抗撕裂性能的交联聚（脲-氨基甲酸酯）。然后将离子液体分散在其中制备得到离子凝胶。4, 4-二氨基二苯醚在与异氰酸酯反应后可以形成脲键，并通过脲基-脲基之间的多重氢键相互作用及苯环之间的π-π堆叠，共同形成了动态氢键硬域，从而在提高离子凝胶机械强度的同时赋予了材料抗撕裂性能。该离子凝胶同时具有多重优异的机械性能，包括：优异的抗撕裂性能（断裂能约为48.68 kJ/m2）、超高的机械强度（断裂强度约为22 MPa）及高拉伸性（断裂伸长率约为1700%）。该离子凝胶除了具有优异的机械性能外，还能在热刺激下实现高效的损伤修复。这主要是由于脲基-脲基间的多重氢键及哌嗪与异氰酸酯后形成的动态大位阻脲键都可以在热刺激的条件下被打开并重新形成，从而实现了材料的高效修复。经过Desmodur N3300固化剂化学交联后，该离子凝胶具备良好的弹性。我们将其封装制成柔性应变传感器，该柔性应变传感器具有良好的灵敏度、高拉伸倍率、较低的滞后，可以检测不同的人体活动。
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