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Tough and stretchable ionogels by in situ phase separation

材料科学 离子液体 单体 共聚物 韧性 聚合物 微观结构 断裂韧性 聚合 复合材料 化学工程 原位聚合 相(物质) 有机化学 化学 催化作用 工程类
作者
Meixiang Wang,Pengyao Zhang,Mohammad Shamsi,Jacob L. Thelen,Qian Wen,Vi Khanh Truong,Jinwoo Ma,Jian Hu,Michael D. Dickey
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:21 (3): 359-365 被引量:514
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01195-4
摘要

Ionogels are compelling materials for technological devices due to their excellent ionic conductivity, thermal and electrochemical stability, and non-volatility. However, most existing ionogels suffer from low strength and toughness. Here, we report a simple one-step method to achieve ultra-tough and stretchable ionogels by randomly copolymerizing two common monomers with distinct solubility of the corresponding polymers in an ionic liquid. Copolymerization of acrylamide and acrylic acid in 1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate results in a macroscopically homogeneous covalent network with in situ phase separation: a polymer-rich phase with hydrogen bonds that dissipate energy and toughen the ionogel; and an elastic solvent-rich phase that enables for large strain. These ionogels have high fracture strength (12.6 MPa), fracture energy (~24 kJ m-2) and Young's modulus (46.5 MPa), while being highly stretchable (~600% strain) and having self-healing and shape-memory properties. This concept can be applied to other monomers and ionic liquids, offering a promising way to tune ionogel microstructure and properties in situ during one-step polymerization.
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