张世国教授课题组在聚离子液体高分子材料领域取得系列进展

max

胶粘剂在多个领域应用广泛。尽管近年来基于邻苯二酚结构单元的高分子胶粘剂广为报道，但其仍存在不可逆氧化交联、合成繁琐、难以循环使用等一系列问题，开发新型、高效的多功能胶粘剂迫在眉睫。
       聚离子液体兼具离子液体的稳定、不可燃、高离子导电性等独特性质以及聚合物的机械耐久性和可加工性等优点，可望设计成功能性粘附材料。然而，由于其过高的玻璃化转变温度(Tg)，大部分聚离子液体在室温下都是质地偏脆的固体粉末。此外，目前文献报道的聚离子液体本身几乎都没有粘附特性，不能直接作为胶粘剂使用。
       近日，张世国教授课题组以湖南大学材料科学与工程学院为第一单位在材料领域顶级期刊《Advanced Materials》（IF= 27.40）上发表题为“Poly(ionic liquid)s Containing Alkoxy Chains and Bis(trifluoromethanesulfonyl)imide Anions as Highly Adhesive Materials”的研究论文。通过在含有双(三氟甲磺酰亚胺)(TFSI−)阴离子的聚离子液体的阳离子主链上简单引入烷氧基侧基，就可以将传统的非粘附性聚离子液体设计成高性能的粘附材料。柔性烷氧基侧链的引入不仅显著降低了聚离子液体的玻璃化转变温度，而且氧原子本身作为氢键受体使离子液体内部产生了强的氢键作用，再加上离子液体本身独特的静电作用，此类烷氧基聚离子液体同时具有高的内聚能和界面粘附能。宏观粘附性能测试表明，烷氧基聚离子液体对各种基材如玻璃、陶瓷、不锈钢、铝合金和聚合物等都具有很强的粘附作用。利用聚离子液体与多壁碳纳米管或银纳米纤维等材料间的高相容性，还制备出了光响应型和导电复合胶粘剂。有趣的是，PIL-2-TFSI胶粘剂表现出了对外界电场独特的可逆响应，在外界电场作用下，宏观粘接强度可提升35%左右。该论文第一作者为材料科学与工程学院博士研究生张俊和硕士研究生陈展鹰，通讯作者为张世国教授。

烷氧基聚离子液体结构、宏观粘接强度、理论计算结果以及多功能应用研究

        在此基础上，课题组还进一步拓展了聚离子液体胶粘剂在能源材料领域中的应用。通过将聚丙烯酸（PAA）和小分子乙醇胺（EA）简单中和，设计合成了一种水溶性的强粘附性聚离子液体（D-PAA-C-EA）。EA的引入打破了PAA原有羧基之间的分子内氢键，形成了多种氢键和静电作用共存的复杂交联体系，使得D-PAA-C-EA宏观上表现出强的粘附性。D-PAA-C-EA可作为锂硫电池的高效粘结剂使用，由此构建的正极表现出更好的稳定性，在极片的多次弯折测试中活性物质无明显脱落。与PAA和PVDF等常规粘结剂相比，基于D-PAA/C-EA的锂硫电池表现出更高的初始容量和循环稳定性，以及更好的多硫化物穿梭抑制作用。相关工作以“Water-soluble, Adhesive and 3D Cross-linked Polyelectrolyte Binder for High-performance Lithium-sulfur Battery”为题发表在材料领域权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》（IF= 11.30）上，论文的第一作者是硕士研究生李明南和博士研究生张俊，通讯作者为张世国教授。
       上述研究得到了国家海外高层次人才计划项目、国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金以及湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主研发项目等基金项目的支持。
       文章链接：
       https://doi.org/10.1002/adma.202100962
       https://doi.org/10.1039/D0TA09859K


      文章来源：湖南大学
      刘志刚，汉族，男，博士，湖南大学化学化工学院教授，硕士生导师。湖南省化学化工学会催化与绿色化学专业委员会委员、秘书， 中国化学会和湖南省化学化工学会会员，Journal of Chemical Engineering、International Journal of Hydrogen Energy等期刊的审稿人。