Multiple Relaxations and Entanglement Behaviors of Polymerized Ionic Liquids with Various Anions/Cations

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作者
Gang Liu,Ronald G. Larson,Xi He,Yongjie Dan,Yanhua Niu,Guangxian Li
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.4c01844
摘要

Polymerized ionic liquids (PILs) with anions of bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI–), hexafluorophosphate (PF6–), and tetrafluoroborate (BF4–) and cations of poly[1-(4-vinylbenzyl)-3-alkyl-imidazolium] P[VBCnIM]+ with alkyl lengths C1, C2, and C4 were successfully synthesized and characterized. X-ray scattering showed an increase in backbone-to-backbone spacing (db) by 0.8 Å per CH2 added to the alkyl side chain. Rheological and dielectric measurements were used to measure rates of chain relaxation and ion dissociation/association. The glass transition temperatures Tg follow the trend: PC4-TFSI < PC2-TFSI < PC1-TFSI < PC1-BF4 < PC1-PF6, which correlates well with their dielectric behaviors. However, the fragility mDR from dielectric relaxation increases with decreasing Tg, which is the opposite of the dependence of fragility mRheo from rheology for both our PILs and neutral polymers. The dielectric and rheological relaxations of our PILs are expected to be influenced by both their anion–cation binding energies and their relative free volumes, while for neutral polymers, relaxations are primarily governed by free volume. The increase of fragility of mDR with decreasing Tg, therefore, suggests that dielectric relaxation is influenced more by anion–cation binding energy than by free volume, while the reverse is true for mRheo. The plateau modulus GN and entanglement molecular weight Me estimated from rheological measurements agree with predictions of the packing model, using only a small modification of the Flory characteristic ratio C∞ from that of a neutral polymer. Packing lengths of p = 6.0∼9.3 Å and tube diameters dt = 11∼17 nm are found, depending on specific cation and anion structures.

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