基于酰基半缩醛肟的动态网络结合全固态离子弹性体中的离子传输与可再加工性

《Materials Today Chemistry》:Acylsemicarbazide-based dynamic networks coupling ion transport and reprocessability in all-solid-state ionic elastomers

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月12日 来源:Materials Today Chemistry 7.4

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   •LiTFSI 的作用不仅仅是作为离子源,它还调节动态网络。•酰半缩肼基团结合了交换和氢键增强作用。•透明弹性体达到了 11.3 MPa 的强度和 1050% 的可拉伸性。•平衡的网络实现了稳定的电阻和电容传感。•重处理的薄膜保留了离子导电性和传感功能。引言柔性离子导体在表皮

  
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    LiTFSI 的作用不仅仅是作为离子源,它还调节动态网络。
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    酰半缩肼基团结合了交换和氢键增强作用。
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    透明弹性体达到了 11.3 MPa 的强度和 1050% 的可拉伸性。
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    平衡的网络实现了稳定的电阻和电容传感。
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    重处理的薄膜保留了离子导电性和传感功能。

引言

柔性离子导体在表皮电子器件、生物集成界面和软机器人系统中受到了持续的关注,这些系统需要在单一材料平台内适应重复变形、共形接触和信号保真度 [[1], [2], [3]]。基于水凝胶和离子凝胶的导体实现了重要的器件演示,因为液相可以促进离子迁移和界面极化 [[4], [5], [6]]。然而,它们对水、有机溶剂或富含离子液体的区域的依赖,仍然引入了与脱水、泄漏、低温可靠性、尺寸稳定性和长期环境耐受性相关的持续限制 [2,4,7]。因此,全固态离子导电弹性体的开发不仅仅是一种配方变化;它是向机械可靠、环境稳定且无液体离子电子器件的必要材料转变 [[8], [9], [10], [11]]。
去除自由液相本身并不能解决固态离子弹性体中的根本材料矛盾 [8,9,12]。稳定的离子传输需要足够的盐解离、移动离子和链段运动,而机械鲁棒性则依赖于有效的网络约束和强分子间凝聚力 [10,11,[13], [14], [15]]。可重加工性、自恢复和抗疲劳性进一步需要可逆相互作用或动态交换,但过度的动态性可能会加速服役条件下的应力松弛、蠕变或结构软化 [8,13,16]。虽然已在动态交联干离子弹性体、相锁定超分子导体、无液体自愈合网络和可重加工盐入聚合物系统方面取得了相当进展 [[8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。然而,固态离子传输、机械可靠性和网络可重排性的同时实现仍然具有挑战性,这表明关键问题在于同一聚合物架构内离子迁移和网络约束的分子组织。
共价适应网络(CANs)为应对这一挑战提供了相关的概念框架,因为拓扑重排可以通过动态共价交换进行,同时保持整体网络连接性 [[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24]]。这种框架对于全固态离子弹性体特别有吸引力,因为材料必须在使用期间承受负载,但在维修或重加工期间可重构 [25]。然而,CAN 概念本身并不能保证性能的适当平衡。对于无液体离子弹性体,动态基团必须同时提供加工条件下的交换活性、服役条件下的强可逆凝聚力和与离子物种的化学相容性。最近基于 CAN 的弹性体和柔性传感器表明,鲁棒性、愈合、抗蠕变性和可回收性强烈依赖于基团而不是普遍性的 [[26], [27], [28], [29], [30], [31]]。
在现有的动态基团中,酰半缩肼(ASC)单元非常适合此目的 [32,33]。ASC 化学将热激活的动态可逆性与密集的氢键能力相结合,使得聚合物网络可以在分子水平上整合拓扑重排和固态凝聚力 [32,34]。基于 ASC 交换的透明高模量可塑性聚合物表明,动态交换和机械增强并非互斥 [32]。最近,含 ASC 的弹性体进一步表明,可以利用 ASC 介导的相互作用将机械鲁棒性与动态功能及形状可重构性整合起来 [35]。因此,ASC 基团不应仅仅被视为可交换键,而应被视为能够耦合动态共价交换与物理增强的多功能相互作用中心。
当锂盐被引入动态网络时,会产生更进一步的复杂性 [8,9,11,13,16,17]。在固态离子弹性体中,盐很少表现为被动的电荷载体。离子 - 偶极缔合、瞬时配位和局部离子聚集可能会改变链堆积、玻璃化转变行为、松弛动力学和有效网络约束。因此,导电性增强、机械软化或硬化、抗蠕变性和重加工动力学变得相互依赖,而不是可以单独调节的 [36]。离子物种的这种双重作用也提供了一个机会。如果能在同一分子架构内协调离子传输和网络状态调节,可能会减轻离子迁移率与机械稳定性之间的传统权衡。这一考虑也与电阻和电容传感相关,因为可重复的离子 - 机械和界面响应不仅需要移动离子,还需要可变形且机械稳定的固体界面 [5,6,36,37]。
基于此原理,本工作通过结合动态 ASC 硬段、富含醚键的聚(丙二醇)软链以及单一无液体网络中锂盐介导的离子关联相互作用,设计了 LiTFSI 调节的含酰半缩肼离子弹性体。预计 ASC 单元将提供热激活的键交换和密集的氢键增强,而引入 PEA 段是为了提供链柔性和用于 Li+ 溶剂化的醚氧位点。LiTFSI 不仅作为移动离子的来源,还作为能够改变局部配位和链段动力学的网络调节剂。通过这种分子设计,系统地考察了网络结构、机械响应、离子传输、传感行为和热可重加工性之间的关系,旨在建立基于耦合离子传输和动态网络调节的可重加工全固态离子弹性体。

章节片段

材料

间苯二甲酰二肼(IPDH,98%)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI,99%)和六亚甲基二异氰酸酯三聚体(tri-HDI)购自麦克林。聚(丙二醇)双(2-氨基丙基醚)(PEA,平均 Mn ~ 2000)、双(三氟甲磺酰)酰亚胺锂(LiTFSI,99%)和 N,N-二甲基甲酰胺(DMF,99.5%)购自阿拉丁。所有试剂均直接使用,未进一步纯化。

LASCs 的合成

含 LiTFSI 的酰半缩肼网络,称为 LASCs,是通过一种

LiTFSI 调节的动态酰半缩肼网络的分子设计

为了满足机械完整性、离子传输和热可重加工性的耦合要求,设计了一种 LiTFSI 调节的 ASC/脲网络。如图 1a 所示,该网络是通过 IPDH、HDI、PEA 和 tri-HDI 之间的无催化剂一锅反应制备的。制膜后,在 100 °C 下进一步真空干燥,所有 LASC 样品的绝对相对质量变化均低于 0.3%(图 S1),表明残留挥发物含量极低,支持了

结论

开发了 LiTFSI 调节的基于酰半缩肼的动态网络,作为具有可重加工性和传感能力的全固态离子导电弹性体。ASC 单元提供了热激活的动态共价交换和密集的氢键相互作用,而富含醚键的 PEA 段提供了灵活链和用于锂离子传输的配位位点。LiTFSI 不仅作为离子源,还作为网络状态的调节剂,这反映在

CRediT 作者贡献声明

元智良:写作 – 审阅与编辑,写作 – 初稿,调查,数据整理。艾力帆·阿依肯:验证,调查。徐云生:写作 – 审阅与编辑,方法学,概念化。徐鹏武:监督。彭文军:验证,方法学。杨伟军:方法学。项双飞:方法学。张贤明:监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本报告中所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金(NSFC)(项目编号: 52303138)、浙江省自然科学基金(项目编号: LQ22B040005)和浙江科技大学科研基金(项目编号: 21212286-Y)的支持。
元智良|艾力帆·阿依肯|徐云生|徐鹏武|彭文军|杨伟军|项双飞|张贤明
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