一种高孔隙率的聚合物离子凝胶纤维及其制备和应用

本发明涉及一种超高孔隙率的三维离子凝胶纤维及其制备方法，属于高分子复合材料领域。

背景技术：

1、离子液体通常由有机阳离子和无机(或有机)阴离子构成，在室温下通常为液体。离子液体具有低挥发性、结构可设计性、物理化学稳定性、对健康和环境无害性等特点。将离子液体固定在固体基质上所形成的材料称为离子凝胶，由于其具有离子液体和固体基质的双重特性，展现了良好的应用前景。

2、由高分子有机聚合物和离子液体混合而成的聚合物离子凝胶，是一种具有类凝胶结构和离子导电性的固态混合物。将离子液体限制在三维聚合物网络中可以形成具有特定结构和性质的离子凝胶。由于离子液体的存在，聚合物离子凝胶具有很多独特的功能，如：导电性、优良的电化学稳定性、宽温度范围内性质的稳定性、抗冻和抗菌性等，并且在储能、传感、3d打印和生物医学等领域具有非常广泛的用途。

3、目前，现有技术中尚未有采用离子液体添加到高分子材料中加工成超高孔隙率(孔隙率大于80％)的三维离子凝胶纤维的相关报道。

技术实现思路

1、针对上述缺陷，本发明提供一种离子凝胶纤维及其制备方法，其由高分子材料和离子液体在助纺剂的作用下通过气流纺丝法制得，高分子材料基体提供优异的力学性能和稳定性，从而制得了超高孔隙率的压缩性能优异的离子凝胶纤维，使其在电池、传感器领域具有新的应用前景。

2、本发明的技术方案：

3、本发明要解决的第一个技术问题是提供一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，所述制备方法为：先将高分子材料、离子液体、助纺剂和溶剂混合均匀制成纺丝原液，然后将纺丝原液通过气流纺丝法制得聚合物离子凝胶纤维；其中，所述纺丝原液的固含量为10～30％。

4、进一步，所述高分子材料包括：聚氨酯、聚酰胺酸、聚偏氟乙烯或聚乙烯醇等，高分子材料作为离子凝胶纤维的基体，为离子凝胶提供基本的力学性能。

5、优选的，所述高分子材料为聚酰胺酸或聚氨酯；更优选为聚酰胺酸。

6、进一步，所述离子液体包括：咪唑类离子液体、哌啶类离子液体、吡啶类离子液体、季胺类离子液体或季鏻类离子液体中的一种。

7、优选的，所述离子液体为咪唑类离子液体或季鏻类离子液体；更优选为咪唑类离子液体。

8、进一步，所述助纺剂包括：聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮或聚环氧乙烷等，以提升纺丝原液的可纺性；针对不同的材料选择不同的助纺剂。

9、进一步，所述溶剂选自：n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、四氢呋喃、乙腈或乙醇等；所选溶剂能够溶解助纺剂和高分子材料。

10、进一步，当所述高分子材料为聚酰胺酸时，离子液体的质量占固体总质量的10～57％，助纺剂的质量占固体总质量的18～40％，固体总质量＝高分子材料的质量+离子液体的质量+助纺剂的质量，所述纺丝原液的固含量为12～27％。固含量为纺丝原液种固体总质量的占比。

11、进一步，将高分子材料、离子液体、助纺剂和溶剂混合均匀制成纺丝原液的方法为：先将高分子材料溶液和离子液体室温下搅拌混匀制得前驱体溶液，再将前驱体溶液和助纺剂溶液搅拌混匀，最后脱泡处理得纺丝原液。

12、进一步，当所述高分子材料为聚酰胺酸时，所述聚合物离子凝胶纤维的制备方法为：先将聚酰胺酸、离子液体、助纺剂和溶剂混合均匀制成纺丝原液，然后将纺丝原液通过气流纺丝法制得聚酰胺酸离子凝胶纤维，最后亚胺化处理后得聚酰亚胺离子凝胶纤维。

13、更进一步，当所述高分子材料为聚酰胺酸时，所述聚合物离子凝胶纤维的制备方法包括以下步骤：

14、1)将离子液体和高分子材料溶液在室温下搅拌0.5～1h，得到离子液体/高分子材料混合溶液；

15、2)将助纺剂与溶剂在室温下搅拌2～5h，得到助纺剂溶液；

16、3)将助纺剂溶液加入到步骤1)中的离子液体/高分子材料混合溶液中，在室温下充分搅拌2～3h得到纺丝原液；

17、4)将步骤3)所得纺丝原液通过气流纺丝法制得离子凝胶纤维；

18、5)将步骤4)所得离子凝胶纤维进行亚胺化处理，获得稳定的高孔隙率三维聚合物离子凝胶纤维。

19、进一步，步骤4)的气流纺丝法中，喷气口的气流压强为0.05～0.5mpa，喷口至接收装置(接收笼)的距离为10～25cm。

20、进一步，步骤4)的气流纺丝法的过程为：将所得纺丝原液加入注射泵中，针头的孔径为0.05～0.4mm，纺丝原液的进给速率为0.01～0.05ml/min；喷气口的气流压强设置为0.05～0.5mpa，调整喷口至接收装置(接收笼)的距离为10～25cm；收集0.5～1h后得到纤维；所得纤维在室温下静置1～5h，待溶剂挥发完全，获得稳定的聚合物离子凝胶纤维。

21、本发明要解决的第二个技术问题是提供上述一种聚合物离子凝胶纤维，其采用上述方法制得。

22、进一步，所述聚合物离子凝胶纤维的孔隙率大于80％。

23、本发明要解决的第三个技术问题是指出上述聚合物离子凝胶纤维在传感器或电池中的用途。

24、本发明的有益效果：

25、本发明在高分子材料中添加离子液体实现功能化处理，再用气流纺丝的简单加工工艺制备出具有超高孔隙率(大于80％)的离子凝胶纤维。所得的三维离子凝胶纤维具有90％以上的可压缩性能，与非结构型的高分子材料相比更易发生形变。在柔性可穿戴、柔性电池领域具有巨大的应用前景。

技术特征：

1.一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述制备方法为：先将高分子材料、离子液体、助纺剂和溶剂混合均匀制成纺丝原液，然后将纺丝原液通过气流纺丝法制得聚合物离子凝胶纤维。

2.根据权利要求1所述的一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述高分子材料包括：聚氨酯、聚酰胺酸、聚偏氟乙烯或聚乙烯醇；优选的，所述高分子材料为聚酰胺酸或聚氨酯；更优选为聚酰胺酸。

3.根据权利要求1或2所述的一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述离子液体包括：咪唑类离子液体、哌啶类离子液体、吡啶类离子液体、季胺类离子液体或季鏻类离子液体中的一种；优选的，所述离子液体为咪唑类离子液体或季鏻类离子液体；更优选为咪唑类离子液体。

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述助纺剂包括：聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮或聚环氧乙烷；

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，其特征在于，将高分子材料、离子液体、助纺剂和溶剂混合均匀制成纺丝原液的方法为：先将高分子材料溶液和离子液体室温下搅拌混匀制得前驱体溶液，再将前驱体溶液和助纺剂溶液搅拌混匀，最后脱泡处理得纺丝原液。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，其特征在于，当所述高分子材料为聚酰胺酸时，离子液体的质量占固体总质量的10～57％，助纺剂的质量占固体总质量的18～40％，固体总质量＝高分子材料的质量+离子液体的质量+助纺剂的质量，所述纺丝原液的固含量为10～30％。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，其特征在于，当所述高分子材料为聚酰胺酸时，所述聚合物离子凝胶纤维的制备方法为：先将聚酰胺酸、离子液体、助纺剂和溶剂混合均匀制成纺丝原液，然后将纺丝原液通过气流纺丝法制得聚酰胺酸离子凝胶纤维，最后亚胺化处理后得聚酰亚胺离子凝胶纤维。

8.根据权利要求7所述的一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，其特征在于，所述聚合物离子凝胶纤维的制备方法包括以下步骤：

9.一种聚合物离子凝胶纤维，其特征在于，所述聚合物离子凝胶纤维采用权利要求1～8任一项所述的方法制得；

10.权利要求9所述的聚合物离子凝胶纤维在传感器或电池中的用途。

技术总结
本发明涉及一种超高孔隙率的三维离子凝胶纤维及其制备方法，属于高分子复合材料领域。本发明提供一种聚合物离子凝胶纤维的制备方法，所述制备方法为：先将高分子材料、离子液体、助纺剂和溶剂混合均匀制成纺丝原液，然后将纺丝原液通过气流纺丝法制得聚合物离子凝胶纤维。本发明提供一种离子凝胶纤维及其制备方法，其由高分子材料和离子液体在助纺剂的作用下通过气流纺丝法制得，高分子材料基体提供优异的力学性能和稳定性，从而制得了超高孔隙率的压缩性能优异的离子凝胶纤维，使其在电池、传感器领域具有新的应用前景。

技术研发人员：孔米秋,李文东,杨俊龙,李光宪
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13