高压下聚合物离子液体凝胶形成的微观机制及性能调控研究

Polymer-ionic liquid gel, which is viewed as a new type of functional material, has a broad applicable prospect in the energy and electron device and other fields. However, the low conductivity and poor mechanical properties of polymer-ionic liquid gel influence the large-scale application in most fields. In this project, we will study the effects of temperature and pressure on the formation of gel by the high pressure differential thermal analysis and the fluorescent probe, to obtain the P-T phase diagram of polymer-ionic liquid gel. And then, we will investigate the gelation process of polymer-ionic liquid gel by in-situ FT-IR, SAXS and POM under high pressure, and clarify the gelation mechanism of polymer-ionic liquid gel under high pressure. We will explore the new method to intercept high pressure phase of polymer-ionic liquid gel by the pressure adjustment technology, and discover the modulation rule of microstructure and property by high pressure for polymer-ionic liquid gel, according to the property characterization such as the mechanical properties, thermal properties and electrical properties. Finally, we will establish the essential associations among the microstructure and conductivity of polymer-ionic liquid gel to raise its electrical conductivity. This project will further deepen our understanding of the gelation mechanism of polymer-ionic liquid gel, and also provide a new approach and theory basis for preparing the high-performance polymer-ionic liquid gel.

聚合物离子液体凝胶作为一种新型功能材料，在能源、电子器件等领域具有广阔的应用前景。但由于聚合物离子液体凝胶存在电导率低和机械性能不高等缺陷，影响了其规模化应用。本项目拟采用高压手段，利用高压差热分析和荧光探针技术，系统研究温度和压力对凝胶形成的影响，获取聚合物离子液体凝胶的高压相图，利用红外光谱、小角X射线散射和偏光显微镜等原位研究凝胶在高压下的形成过程，分析高压下凝胶的结构演化和相态特征，明确高压下聚合物离子液体凝胶的形成机制；采用高温高压技术对凝胶微结构进行调节，探索获取聚合物离子液体凝胶高压新结构的方法，并对其力学、热学和电学等性能进行检测，揭示高压对聚合物离子液体凝胶微结构和性能的调控规律，同时建立凝胶微结构与导电性之间的内在联系，实现对其导电性能的调控和优化。本研究将进一步加深对聚合物离子液体凝胶形成机制的认识，也为高性能聚合物离子液体凝胶的研究和开发提供新的方法和理论基础。

聚合物离子液体凝胶作为一种新型功能材料，兼有离子液体和凝胶的特性，在能源、电子器件等领域具有广阔的应用前景。但由于聚合物离子液体凝胶存在电导率低和机械性能不高等缺陷，影响了其规模化应用。通过物理外场调控凝胶结构实现性能优化和改性，是近年来材料领域和化学领域的重要研究方法。本课题在前期研究的基础上，采用高压技术研究压力对离子液体凝胶结构的影响，获取压力对离子液体凝胶微结构的调控规律，并揭示其调控机制。具体内容包括：搭建了一套高温高压密度测量装置，探索了一种测量物质相变的方法；原位测量了PEG/ [EMIM][EtSO4]离子液体凝胶在不同的温度下的P-ΔS曲线，绘制出了其在更高压力下的高压相图，为高压下软物质的高压相图研究提供了新方法；研究了纳米材料（氧化铝、二氧化硅）对凝胶中凝胶网络构筑的影响，发现纳米材料能够分散在凝胶网络中，形成有利于离子传输的通道；研究了压力对凝胶微结构的影响，发现压力主要是通过调控凝胶中凝胶剂的结晶行为而实现对凝胶性能的改进，凝胶剂的结晶尺寸越小越利于离子的传输；研究了离子液体对凝胶剂材料形貌的影响规律，发现离子液体与凝胶剂间存在较强的氢键作用，并通过氢键作用阻止了分子链段间的结合而有利于形成二维的纤维晶、片晶或树状晶；研究了新型类离子液体的高压相变行为，获取了两种低共熔溶剂的高压相图，并发现较快的增压速度使低共熔溶剂压致非晶化，而较慢的增压速度导致其晶化；对低共熔溶剂凝胶进行了制备研究，发现低共熔溶剂与聚合物可形成凝胶，但凝胶剂的加入降低了凝胶的导电性；研究了高压条件下离子液体的分解和自聚合反应，发现了高压下介孔二氧化硅引起离子液体阴离子PF6-1的分解，并引起离子液体的自聚合。因此，这些研究将进一步加深对聚合物离子液体凝胶形成机制的认识，也为高性能聚合物离子液体凝胶的研究和开发提供新的方法和理论基础。