学术咨询服务正当时学报期刊咨询网是专业的学术咨询服务平台！
发布时间：2021-03-08 16:11所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：开发高性能的导电凝胶已经成为推动柔性电子设备进一步发展的基石。以天然纤维素为凝胶骨架，以离子液体为导电介质，通过加热溶解-冷却凝胶化过程可以制备高性能的绿色离子液体-纤维素复合凝胶。复合凝胶中的纤维素基体呈现三维网络结构，并包含大量的
摘要：开发高性能的导电凝胶已经成为推动柔性电子设备进一步发展的基石。以天然纤维素为凝胶骨架，以离子液体为导电介质，通过加热溶解-冷却凝胶化过程可以制备高性能的绿色离子液体-纤维素复合凝胶。复合凝胶中的纤维素基体呈现三维网络结构，并包含大量的孔洞，可以有效吸附和储存离子液体，实现离子液体在纤维素基体中的均匀分布。
纤维素离子复合凝胶具有较高的模量(Gʹ>Gʺ)、优异的透明度(88%)、良好的电学性能(2.2mS/cm)以及柔韧性。进一步通过高温加热-冷却凝胶化过程能够实现纤维素离子凝胶体系的再循环生产过程。纤维素离子凝胶展现了对水分子的高度敏感性，其电导率正比于工作湿度，有望应用于环境湿度以及人体皮肤状况的高效监督检测。
关键词：导电凝胶;纤维素;离子液体;氢键;环境友好
随着人工智能、物联网、边缘计算等新兴电子应用产业的蓬勃发展，柔性电子设备呈现爆发式的发展浪潮，并广泛应用于健康监测、传感皮肤、软体机器人、触摸屏、仿生皮肤以及能量采集器等诸多领域[1-5]。导电凝胶作为一种新型的材料，由于其出色的柔韧性、良好的导电性以及可调的力学性能而成为柔性电子设备的核心元件[6-9]。根据凝胶复合材料中溶剂的不同，导电凝胶主要分为导电水凝胶、导电有机凝胶以及导电离子凝胶[10-13]。导电水凝胶具有较高的电导率和较小的界面电阻等优点，在柔性电子器件方面展现出良好的潜在应用价值[14,15]。
化工方向评职知识：化工学报期刊值得投稿论文吗
导电水凝胶暴露在外界环境中会发生低温结冰或者高温失水现象，严重影响水凝胶的导电性能、机械性能以及透明度。导电有机凝胶可以避免导电水凝胶结冰或失水的问题[16,17]，但有机溶剂的易燃性无疑会诱发柔性电子器件的安全问题。导电离子凝胶的溶剂为由阴、阳离子组成的离子液体，具有不挥发、不易燃、电导率高、热稳定性好等独特的物理化学性质[18-21]，因此其在柔性电子器件领域展现了巨大的竞争优势。离子凝胶由流动相的离子液体和连续固态相的高分子聚合物两部分组成。
将离子液体分散于高分子聚合物的三维网络结构中，离子液体可以和聚合物之间构建氢键结合体系，从而形成性能优异且稳定的离子凝胶。离子凝胶中常用的高分子聚合物多为石油基产品[22-25]，包括聚酰胺、聚乙烯醇、聚偏二氟乙烯、聚丙烯酸酯、环氧树脂以及聚氨酯等。石油基高分子聚合物具有不可再生、不可降解的缺点，形成的白色垃圾会引发严重的环境生态问题，极大地限制该类离子凝胶的广泛应用。
纤维素作为自然界中含量最为丰富的天然资源之一，具有来源广泛以及可再生可降解的特点[26-30]。纤维素分子结构中含有大量羟基，能够和离子液体中的基团形成氢键，进而构建牢固的凝胶体系。本研究基于离子液体对纤维素的高效解离能力，通过溶解凝胶化过程制备绿色的离子液体-纤维素复合凝胶(cellulose-basedionicgel，CGel)。该纤维素离子凝胶具有优异的光学和电学性能，以及较高的稳定性。本研究进一步探讨了竹浆纤维素离子凝胶对环境湿度的敏感性以及产品的可循环使用性。
1实验材料和方法
1.1材料
竹溶解浆(福建省青山纸业股份有限公司);[Amim]Cl型离子液体(ionicliquid，IL，纯度99%)，兰州化学物理研究所;离子水。
1.2实验方法
1.2.1纤维素离子凝胶的制备
将30g离子液体倒入三口烧瓶中，油浴加热至90℃，搅拌30min。称取一定量竹溶解浆，缓慢加入到离子液体中，继续加热搅拌60min溶解纤维素，制备纤维素浓度为0%、2%、5%和10%的纤维素溶液分别记为0%Cel-IL、2%Cel-IL、5%Cel-IL和10%Cel-IL。待溶解结束后，关闭搅拌器，把纤维素溶液倒入表面皿中，静置过夜，纤维素溶液老化为纤维素凝胶。
1.2.2纤维素离子凝胶的性能分析
采用场发射扫描电子显微镜(SEM, JSM-7500F，日本电子株式会社)对离子凝胶中纤维素基体进行形貌观察，喷金45s，加速电压为20kV。
在进行SEM观察之前首先采用水分子完全置换纤维素离子凝胶中的离子液体，然后利用超低温冰箱和冷冻干燥仪除去纤维素凝胶中的水分子，再进行纤维素凝胶形貌的观察。采用紫外可见分光光度计(UV-vis，Lambda35PerkinElmer,美国)检测纤维素离子凝胶的透光性能，长范围为200～800nm。采用流变仪(HaakeMARSⅢ型，德国)检测纤维素离子凝胶的稳态流变性能及动态流变性能。采用电化学工作站(BioLogicVMP3，法国)检测纤维素离子凝胶的离子电导率，扫描频率为100mHz到1MHz，扫描电压为20mVAC。
2结果与讨论
2.1纤维素离子凝胶的制备
离子液体具有极强的极性，可以与纤维素分子形成氢键网络，从而破坏纤维素纤维自身的氢键网络结构，最终实现纤维素纤维的高效溶解。在纤维素溶液的老化过程中，空气中水分子会渗透进去纤维素溶液内部。水分子可以使纤维素溶液中阴阳离子与纤维素分子之间的氢键断裂，形成游离态的纤维素分子和阴阳离子，进而纤维素溶液转为为纤维素离子凝胶。
通过加热处理，离子液体可以溶解纤维素纤维形成溶液，再经过老化/凝胶化过程，可以构建纤维素离子凝胶。离子液体具有良好的流动性能，不能固定在玻璃瓶底部;而纤维素离子凝胶具有良好的成型性能，并可以牢固吸附在玻璃瓶底部。纤维素离子凝胶也展现了优异的柔韧性，经过弯折处理仍然保持良好的形态结构，此特性为纤维素离子凝胶在柔性电子器件中的应用奠定了坚实的基础。
离子液体具有良好的流动性能，因此其具有较低的黏度(~0.1-1Pa·s)。通过溶解纤维素，可以提高体系的黏度。黏度的提高也表明体系的凝胶化效应。制备的纤维素离子凝胶的黏度远远高于离子液体的黏度。在低剪切速率条件下(10-2s-1)，纤维素离子凝胶的黏度高达104Pa·s;即使在高剪切速率条件下(103s-1)，离子凝胶的黏度仍为1Pa·s，约是该条件下离子液体黏度的10倍(0.1Pa·s)。
本研究进一步分析频率对离子液体和纤维素凝胶的模量性能的影响。离子液体具有较低的模量，且其损失模量(Gʺ)远远大于储存模量(Gʹ)，表明典型的液态相行为。纤维素离子凝胶的储存模量和损失模量均呈现增加的趋势，其储存模量大于损失模量，这证明纤维素离子凝胶的准固态效应。
2.2纤维素离子凝胶的形貌
将纤维素离子凝胶置于水溶液中，通过水分子对离子液体的置换效应可以溶出纤维素凝胶中的离子液体，获得纤维素基体。利用扫描电子显微镜可以观察纤维素凝胶基体的形貌结构，如图4所示。离子凝胶的纤维素基体具有的骨架结构内还包含了大量孔洞的结构，可以有效吸附和储存离子液体，并为离子液体的均匀分布提供基础。该体系实现了纤维素分子与离子液体的良性共存，能够保证离子凝胶兼具优异的离子电导性质和光学性能。
3结论
(1)本文基于离子液体对纤维素氢键网络的解构以及重组能力，开发了柔性、透明、导电的绿色离子液体-纤维素复合凝胶。纤维素基体呈现丰富的孔洞结构，可以有效吸收和储存离子液体，赋予复合凝胶优异的离子导电能力。(2)5%纤维素浓度的复合凝胶具有88%的透明度和2.2mS/cm电导率。纤维素离子凝胶也展现了优异的性能稳定性，经过30天的工作时间后仍然具有稳定的电导率和透明度。
(3)复合凝胶对环境湿度具有良好的敏感性。提高湿度可以增加凝胶的电导率，降低湿度会降低复合凝胶的导电性能。(4)离子液体-纤维素复合凝胶具有良好的循环生产使用能力，通过高温加热-冷却凝胶化过程即可以实现纤维素离子凝胶的再生产目标，且其仍然具有较高的电学性能。绿色纤维素离子凝胶的开发对推动凝胶基柔性电子器件的快速发展具有重要意义。
参考文献：
[1]王晓园,杨晓泉.新型Ph敏感性壳聚糖/明胶水凝胶的制备及其性能[J].化工进展,2009,28(10),1781-1786.WANGXiaoyuan,YANGXiaoquan. PreparationandpropertiesofanovelPh-sensitivechitosan/gelatinhydrogel[J].ProgressinChemicalIndustry,2009, 28(10):1781-1786(inChinese).
[2]ZHANGMC,GUOR,CHENK,etal.Microribbonscomposedofdirectionallyself-assemblednanoflakesashighlystretchableionicneuralelectrodes[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesofTheUnitedStatesofAmerica,2020,117(26):14667-14675.
[3]ZHOUY,DONGXX,MIYY,etal.Hydrogelsmartwindows[J].JournalofMaterialsChemistryA,2020,8(20):10007-10025.
作者：陈裙凤1,2，刘茜1,2，杨嘉玮1,2*，陶涛1,2，陈礼辉1,2，倪永浩1,2，李建国
转载请注明来源。原文地址：http://www.xuebaoqk.com/xblw/6280.html
《纤维素离子凝胶的制备及性能研究》