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一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法 Download PDF

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一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法，将丙烯酸类单体加入咪唑类离子液体中，再加入丙烯酸交联剂和光引发剂，搅拌充分混合，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶；本发明通过在离子液体中原位交联丙烯酸类单体将离子液体固化而制备一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶，方法简单可控，与传统的离子液体固化方法相比，其制备出的离子液体凝胶的拉伸模量（2-50kPa）和拉伸应变（伸长率为3-22倍）可调，拓宽了离子液体作为生物材料、能量储存材料和驱动器材料等的应用范围。

Description

一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法
技术领域
本发明涉及离子液体和高分子聚合物制备技术2领域，特别涉及一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法。
背景技术
作为一种“绿色溶剂”，离子液体由于其具有不挥发性（几乎无饱和蒸汽压），不可燃性、热稳定性和高的电导率等优点而引起了人们的广泛关注。离子液体主要应用于电解质（如锂离子电池、燃料电池、太阳能电池）、功能膜材料（如分离膜、催化膜）和生物传感器（如检测葡萄糖和多巴胺）等领域。然而大多数离子液体在常温下都是液体的，在实际应用中受到很多限制。将离子液体固化不但可更好的发挥离子液体的作用，而且可拓展其应用范围，所以如何将离子液体固化是实际应用中需要解决的关键问题。
制备离子液体凝胶是固化离子液体的一种有效方法，目前关于制备离子液体凝胶的方法主要有在离子液体中原位聚合乙烯基单体形成凝胶，以及将离子液体自身交联形成凝胶两种方式。但是目前报道的大多数离子液体凝胶的力学性能较弱，伸长率较低，此外，弹性模量较高（>100kPa），与软材料的模量不匹配，依附性较差，从而限制了其作为生物材料、能量储存材料和驱动器材料等的应用。为了更好的发挥离子液体的作用，拓宽离子液体的应用领域，本发明通过在离子液体中原位交联聚合丙烯酸类单体，将离子液体固化而制备得到了一种高伸长率及弹性模量可调性能的离子液体凝胶，该材料有望拓宽离子液体的应用领域。
目前报道的有关研究具有可拉伸及弹性模量可调性能的离子液体凝胶的制备方法有以下三例。
S Saricilar等(Electrochem Commun,2013,32:47-50)用甲基丙烯酸甲酯(methyl methacrylate,MMA)为单体，聚乙二醇二丙烯酸酯(poly(ethylene glycol)diacrylate,PEGDA，平均分子量285g/mol)为交联剂,过氧化甲乙酮(methyl ethyl ketone peroxide)为光催化剂，在(1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺(1-ethyl-3-methylimidazoliumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide,[C2mIm][TFSI])离子液体中通过自由基聚合生成了拉伸模量在130-470kPa，拉伸应变约6倍的离子液体凝胶。
K Fujii等(Soft Matter,2012,8:1756-1759)将四臂聚乙二醇(tetra-arm poly(ethylene glycol),Tetra-PEG)与1-乙基-3-甲基咪唑双（氟磺酰）亚胺(1-ethyl-3-methylimidazoliumbis(trifluoromethanesulfonyl)amide,[C2mIm][TFSA])离子液体混合后制备出拉伸模量为2.8-7.7kPa，拉伸应变在3.8-4.7倍的离子液体凝胶。
AF Visentin等(ACS Appl.Mater.Interfaces,2012,4:2836-2839)将聚乙二醇二丙烯酸酯(poly(ethylene glycol)diacrylate,PEGDA,平均分子量575g/mol)作为前驱体，2-羟基-2-甲基苯丙酮(2-hydroxy-2-methylpropiophenone,HOMPP)为光引发剂，1-乙基-3-甲基咪唑双（三氟甲磺酰）亚胺(1-ethyl-3-methylimidazoliumbis(trifluoromethanesulfonyl)imide,[C2mIm][TFSI])为离子液体，通过原位交联聚合制备了压缩模量为2×10-3-15MPa，最大压缩应变为0.4倍的离子液体凝胶。
以上三例离子液体凝胶虽然都可归为具有可拉伸和弹性模量可调性能的离子液体凝胶，但是其应变范围较小，远远不能满足对具有高伸长率及弹性模量可调性能的软弹性材料的要求。为了更好的发挥离子液体以及离子液体凝胶的作用，拓宽离子液体的应用领域，高伸长率的软弹性离子液体凝胶的制备需求相当迫切。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法，将丙烯酸类单体加入离子液体中，再加入交联剂和引发剂，通过自由基聚合就可制备离子液体凝胶，与传统的离子液体凝胶相比，本发明制备出的离子液体凝胶的拉伸模量（2-50kPa）和拉伸应变（伸长率为3-22倍）可调，拓宽了离子液体作为生物材料、能量储存材料和驱动器材料等的应用范围。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法，将相对于离子液体4-60wt%的丙烯酸类单体加入咪唑类离子液体中，再加入相对于丙烯酸0.001-5.0wt%的交联剂和相对于丙烯酸0.01-2.0wt%的光引发剂，搅拌充分混合，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
所述的交联剂为聚乙二醇类交联剂，如聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四臂聚乙二醇丙烯酸酯、四臂聚乙二醇甲基丙烯酸酯，平均分子量200-10000g/mol；
所述的光引发剂为光裂解型引发剂，包括2-羟基-甲基苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-2-（4-吗啉基）-1-[4-（甲硫基）苯基]-1-丙酮或α-酮戊二酸。
所述的咪唑类离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯、1-甲基-3-甲基咪唑硫酸乙酯、1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯或1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯。
本发明的特点和优点：
本发明提供了一种新的固化离子液体的方法，通过在离子液体中原位交联丙烯酸类单体将离子液体固化而制备一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。本发明方法简单可控，与传统的离子液体固化方法相比，其制备出的离子液体凝胶的拉伸模量（2-50kPa）和拉伸应变（伸长率为3-22倍）可调，拓宽了离子液体作为生物材料、能量储存材料和驱动器材料等的应用范围。
具体实施方式
实施例一：
将相对于离子液体4-15wt%的丙烯酸类单体—丙烯酸加入到1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体中，再加入相对于丙烯酸类单体3-5wt%的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和相对于丙烯酸类单体1-2wt%的2-羟基-2-甲基苯丙酮，搅拌充分混合后，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
该实例制备的离子液体凝胶的模量在2.0-8.0kPa，应变可以达到3-10倍，断裂应力在5-15kPa。
实施例二：
将相对于离子液体15-20wt%的丙烯酸类单体—甲基丙烯酸加入到1-甲基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体中，再加入相对于丙烯酸类单体0.1-0.5wt%的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和相对于丙烯酸类单体0.1-1wt%的1-羟基环己基苯基甲酮，搅拌充分混合后，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
该实例制备的离子液体凝胶的模量在5-14kPa，应变可以达到8-15倍，断裂应力在30-50kPa。
实施例三：
将相对于离子液体20-35wt%的丙烯酸类单体—丙烯酸加入到1-丁基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体中，再加入相对于丙烯酸类单体0.05-0.2wt%的四臂聚乙二醇丙烯酸酯和相对于丙烯酸类单体1-2wt%的2-甲基-2-（4-吗啉基）-1-[4-（甲硫基）苯基]-1-丙酮，搅拌充分混合后，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
该实例制备的离子液体凝胶的模量在12-20kPa，应变可以达到10-20倍，断裂应力在40-80kPa。
实施例四：
将相对于离子液体35-60wt%的丙烯酸类单体—甲基丙烯酸加入到1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯离子液体中，再加入相对于丙烯酸类单体0.001-0.01wt%的四臂聚乙二醇甲基丙烯酸酯和相对于丙烯酸类单体0.01-0.1wt%的α-酮戊二酸，搅拌充分混合后，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
该实例制备的离子液体凝胶的模量在18-30kPa，应变可以达到18-35倍，断裂应力在75-130kPa。
前述实例说明了根据本发明提供的方法可以制备出一系列拉伸性能及弹性模量可调的离子液体凝胶。本领域的技术人员依据上述方案做出非本质的调整和改进均属于本案的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法，其特征在于，将相对于离子液体4-60wt%的丙烯酸类单体加入咪唑类离子液体中，再加入相对于丙烯酸0.001-5wt%的交联剂和相对于丙烯酸0.01-2wt%的光引发剂，搅拌充分混合，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板磨具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶；
所述的交联剂为聚乙二醇类交联剂，如聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯、四臂聚乙二醇丙烯酸酯、四臂聚乙二醇甲基丙烯酸酯，平均分子量200-10000g/mol；
所述的光引发剂为光裂解型引发剂，包括2-羟基-甲基苯基丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮、2-甲基-2-（4-吗啉基）-1-[4-（甲硫基）苯基]-1-丙酮或α-酮戊二酸；
所述的咪唑类离子液体包括1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯、1-甲基-3-甲基咪唑硫酸乙酯、1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯或1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯。
2.根据权利要求1所述的一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法，其特征在于，
将相对于离子液体4-15wt%的丙烯酸类单体—丙烯酸加入到1-乙基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体中，再加入相对于丙烯酸类单体3-5wt%的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和相对于丙烯酸类单体1-2wt%的2-羟基-2-甲基苯丙酮，搅拌充分混合后，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
3.根据权利要求1所述的一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法，其特征在于，将相对于离子液体15-20wt%的丙烯酸类单体—甲基丙烯酸加入到1-甲基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体中，再加入相对于丙烯酸类单体0.1-0.5wt%的聚乙二醇二甲基丙烯酸酯和相对于丙烯酸类单体0.1-1wt%的1-羟基环己基苯基甲酮，搅拌充分混合后，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
4.根据权利要求1所述的一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法，其特征在于，将相对于离子液体20-35wt%的丙烯酸类单体—丙烯酸加入到1-丁基-3-甲基咪唑硫酸乙酯离子液体中，再加入相对于丙烯酸类单体0.05-0.2wt%的四臂聚乙二醇丙烯酸酯和相对于丙烯酸类单体1-2wt%的2-甲基-2-（4-吗啉基）-1-[4-（甲硫基）苯基]-1-丙酮，搅拌充分混合后，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
5.根据权利要求1所述的一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶制备方法，其特征在于，将相对于离子液体35-60wt%的丙烯酸类单体—甲基丙烯酸加入到1-丁基-3-甲基咪唑硫酸甲酯离子液体中，再加入相对于丙烯酸类单体0.001-0.01wt%的四臂聚乙二醇甲基丙烯酸酯和相对于丙烯酸类单体0.01-0.1wt%的α-酮戊二酸，搅拌充分混合后，倒入夹有硅胶垫片的玻璃板模具中，放在紫外交联仪中紫外辐射1-10小时，即可得到一种高伸长率及弹性模量可调的离子液体凝胶。
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