纺织学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 22-28.doi: 10.13475/j.fzxb.20211001307

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基于离子液体协同法的双交联结构细菌纤维素/聚丙烯酰胺凝胶聚合物电解质构建

张天芸1,2(), 石小红1, 张乐1, 王富娟1, 谢依娜1, 杨亮1, 冉奋2   

  1. 1.兰州理工大学 机电工程学院, 甘肃 兰州 730050
    2.兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与可再生利用国家重点实验室, 甘肃 兰州 730050
  • 收稿日期:2021-10-08 修回日期:2022-01-19 出版日期:2022-11-15 发布日期:2022-12-26
  • 作者简介:张天芸(1986—),女,博士。主要研究方向为天然纤维及能源材料的开发和功能纺织品的研究。E-mail: zhangtianyun@lut.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51903113);博士后科学基金面上项目(2019M663858);博士后科学基金特别资助项目(2022T150282)

Bacterial cellulose/polyacrylamide hydrogel polymer electrolyte with dual-crosslinked network based on ionic liquid synergistic method

ZHANG Tianyun1,2(), SHI Xiaohong1, ZHANG Le1, WANG Fujuan1, XIE Yi'na1, YANG Liang1, RAN Fen2   

  1. 1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China
    2. State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metals, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China
  • Received:2021-10-08 Revised:2022-01-19 Published:2022-11-15 Online:2022-12-26

摘要:

为实现凝胶电解质性能间的平衡,以氧化细菌纤维素为基体,分别采用3种阴离子类咪唑型离子液体与其实现离子交联,同时将丙烯酰胺在交联体中进行原位自由基聚合,制备细菌纤维素/聚丙烯酰胺双交联结构的凝胶聚合物电解质。其中阴离子类咪唑型离子液体分别是1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EMIMBF4)、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(EMIMPF6)和1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐(EMIMTFSI),在构筑双交联结构凝胶聚合物电解质中起到了关键的协同作用。结果表明:在以EMIMBF4为协同剂时,制备的凝胶聚合物电解质具有最优的力学性能和离子电导率;断裂伸长率为38.36%,拉伸强度为175.25 kPa,离子电导率达到20.16 mS/cm。

关键词: 细菌纤维素, 聚丙烯酰胺, 离子液体, 凝胶电解质, 双交联网络, 化学储能器件

Abstract:

In order to achieve balance between different properties of the gel electrolyte, bacterial cellulose/polyacrylamide gel-polymer electrolyte with dual-crosslinked network was prepared by anionic imidazole-type ionic liquid and oxidized-bacterial cellulose, followed by crosslinking by acrylamide using in-situ free radical polymerization method. The anionic ionic liquids were 1-ethyl-3-methyl-imidazolium tetrafluoroborate (EMIMBF4), 1-ethyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate (EMIMPF6), and 1-ethyl-3-methyl-imidazolium bistrifluoromethosulfonimide (EMIMTFSI), respectively, which played important synergistic role in the construction of double crosslinked hydrogel polymer electrolyte. The results show that the gel polymer electrolyte based on EMIMBF4 has excellent mechanical properties and ionic conductivity, with its elongation at break being 38.60%, its tensile strength 175.25 kPa, and its ionic conductivity reached 20.16 mS/cm.

Key words: bacterial cellulose, polyacrylamide, ionic liquid, hydrogel electrolyte, dual-crosslinked network, electrochemical energy storage devices

中图分类号: 

  • TS102

图1

不同水凝胶的红外光谱图"

图2

TBC-PAM和TBC-IL-PAM应力-应变图"

图3

TBC-PAM和TBC-IL-PAM浸泡电解液前交流阻抗图 注:Z',Z″分别为阻抗谱的实部和虚部。"

图4

TBC-PAM和TBC-IL-PAM离子电导率"

表1

复合水凝胶吸液率与复吸率对比表"

试样 吸液率 复吸率
TBC-PAM 274.95 76.67
TBC-B-PAM 324.51 52.46
TBC-P-PAM 308.16 75.70
TBC-T-PAM 262.15 76.95

图5

TBC-PAM和TBC-IL-PAM85 ℃烘干和25 ℃复吸图"

图6

TBC-PAM和TBC-IL-PAM在85 ℃下烘1 h后形貌照片"

图7

TBC-PAM和TBC-IL-PAM热失重结果图"

图8

锌箔在不同电解质中的Tafel曲线"

图9

普通玻璃纤维隔膜与TBC-B-PAM凝胶膜组装的锌对称电池循环曲线"

[1] CHEN G, LI Y, BICK M, et al. Smart textiles for electricity generation[J]. Chemical Reviews, 2020, 120(8): 3668-3720.
doi: 10.1021/acs.chemrev.9b00821 pmid: 32202762
[2] 王霁龙, 刘岩, 景媛媛, 等. 纤维基可穿戴电子设备的研究进展[J]. 纺织学报, 2020, 41(12): 157-165.
WANG Jilong, LIU Yan, JING Yuanyuan, et al. Advances in fiber-based wearable electronic devices[J]. Journal of Textile Research, 2020, 41(12): 157-165.
[3] FAN L, WEI S, LI S, et al. Recent progress of the solid-state electrolytes for high-energy metal-based batteries[J]. Advanced Energy Materials, 2018, 8(11): 1-31.
[4] 张金明, 张军. 基于纤维素的先进功能材料[J]. 高分子学报, 2010(12): 1376-1398.
ZHANG Jinming, ZHANG Jun. Advanced functional materials based on cellulose[J]. Acta Polymerica Sinica, 2010(12): 1376-1398.
[5] 张晶晶, 容建华, 李文迪, 等. 细菌纤维素/聚丙烯酰胺水凝胶的制备及性能表征[J]. 高分子学报, 2011(6): 602-607.
ZHANG Jingjing, RONG Jianhua, LI Wendi, et al. Preparation and characterization of bacterial cellulose/polyacrylamide hydrogels[J]. Acta Polymerica Sinica, 2011(6): 602-607.
[6] LI Xiaolong, YUAN Libei, LIU Rong, et al. Engineering textile electrode and bacterial cellulose nanofiber reinforced hydrogel electrolyte to enable high-performance flexible all-solid-state supercapacitors[J]. Advanced Energy Materials, 2021, 11(12): 1-11.
[7] ARMAND M, ENDRES F, MACFARLANE D R, et al. Ionic-liquid materials for the electrochemical challenges of the future[J]. Nature Materials, 2009, 8(8): 621-629.
doi: 10.1038/nmat2448 pmid: 19629083
[8] 于学文, 顾应展, 乔志军, 等. Emim-TFSI基电解液用于超级电容器的高温性能研究[J]. 电源技术, 2020, 353(2): 73-77.
YU Xuewen, GU Yingzhan, QIAO Zhijun, et al. Study on high temperature performance of EMIM-TFSI-based electrolyte used in supercapacitor[J]. Power Supply Technology, 2020, 353(2): 73-77.
[9] KIM S S, JEON J H, KIM H I, et al. High-fidelity bioelectronic muscular actuator based on graphene-mediated and TEMPO-Oxidized bacterial cellulose[J]. Advanced Functional Materials, 2015, 25(23): 3560-3570.
doi: 10.1002/adfm.201500673
[10] 张天芸. 基于细菌纤维素纤维的电化学储能材料及器件[D]. 上海: 东华大学, 2018: 22-23.
ZHANG Tianyun. Bacterial cellulose fiber-based electrochemical energy storage materials and devices[D]. Shanghai: Donghua University, 2018: 22-23.
[11] 刘川渟. 纤维素及纤维素衍生物复合电池隔膜的制备与性能研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2016: 11-43.
LIU Chuanting. Preparation and properties of cellulose and cellulose derivatives composite cell diaphragm[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2016: 11-43.
[12] 梁用智. 基于离子交联的高强度水凝胶的制备[D]. 杭州: 浙江大学, 2019: 1-59.
LIANG Yongzhi. Preparation of high strength hydrogel based on ion crosslinking[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2019: 1-59.
[13] ZHANG XIONGFEI, MA XIAOFENG, HOU TING, et al. Inorganic salts induce thermally reversible and anti-freezing cellulose hydrogels[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58(22): 7366-7370.
doi: 10.1002/anie.201902578
[14] 李琳, 赵帅, 胡红旗. 纤维素溶解体系的研究进展[J]. 纤维素科学与技术, 2009(2): 72-78.
LI Lin, ZHAO Shuai, HU Hongqi. Research progress of cellulose dissolution system[J]. Cellulose Science and Technology, 2009(2): 72-78.
[15] MCEWEN A B, HELEN L N, LECOMPTE K, et al. Electrochemical properties of imidazolium salt electrolytes for electrochemical capacitor applica-tions[J]. Journal of the Electrochemical Society, 1999, 146(5): 1687-1695.
doi: 10.1149/1.1391827
[16] 卢芸, 孙庆丰, 于海鹏, 等. 离子液体中的纤维素溶解、再生及材料制备研究进展[J]. 有机化学, 2010, 30(10): 1593-1602.
LU Yun, SUN Qingfeng, YU Haipeng, et al. Research progress on dissolution, regeneration and preparation of cellulose in ionic liquids[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2010, 30(10): 1593-1602.
[17] 章正熙, 高旭辉, 杨立. $BF_{4}^{-}$和TFSI-系列室温离子液体绿色电解液的电化学性能[J]. 科学通报, 2005(15): 1584-1588.
ZHANG Zhengxi, GAO Xuhui, YANG Li. Electrochemical properties of $BF_{4}^{-}$ and TFSI- series ionic liquid green electrolytes at room temperature[J]. Chinese Science Bulletin, 2005(15): 1584-1588.
[18] 慕竣屹, 金振兴, 蔡克迪. 六氟磷酸电解液在超级电容器中的电化学性能研究[J]. 渤海大学学报(自然科学版), 2011, 32(1): 42-46.
MU Junyi, JIN Zhenxing, CAI Kedi. Electrochemical properties of hexafluorophosphoric acid electrolyte in supercapacitors[J]. Journal of Bohai University (Natural Science Edition), 2011, 32(1): 42-46.
[1] 张晓程, 周彦, 田卫国, 乔昕, 贾锋伟, 许丽丽, 张金明, 张军. 废旧棉/涤混纺织物的组分快速分离及其含量测定[J]. 纺织学报, 2022, 43(07): 1-8.
[2] 梁姣姣, 汪菁晶, 夏于旻, 朱新远, 闫冰, 孙利明, 王燕萍, 何勇, 王依民. 基于聚离子液体的常压阴离子可染聚丙烯纤维制备及其性能[J]. 纺织学报, 2022, 43(07): 17-21.
[3] 陈子晗, 姚勇波, 生俊露, 颜志勇, 张玉梅, 王华平. 纤维素/海藻酸钙共混纤维的制备及其性能[J]. 纺织学报, 2021, 42(12): 15-20.
[4] 袁久刚, 季吉, 薛琪, 姜哲, 范雪荣, 高卫东. 羊毛角蛋白在巯基乙酸胆碱中的溶解再生[J]. 纺织学报, 2021, 42(01): 35-39.
[5] 欧阳鹏飞, 张玉芳, 贾春紫, 张嘉煜. 用竹浆粕/离子液体复配体系纺制的再生纤维及其性能[J]. 纺织学报, 2020, 41(01): 21-25.
[6] 王宗乾 杨海伟 汤立洋 李长龙. 丝素蛋白/聚乙烯醇复合膜的制备及其表征[J]. 纺织学报, 2018, 39(11): 14-19.
[7] 董建成 葛孝栋 王清清 魏取福. 卟啉接枝细菌纤维素的制备及其光敏抗菌性能[J]. 纺织学报, 2018, 39(11): 20-26.
[8] 刘新华 李永 储兆洋 杨旭 王翠娥. 细菌纤维素气凝胶接枝甲基丙烯酸二甲氨乙酯的制备[J]. 纺织学报, 2018, 39(03): 1-6.
[9] 黄婕妤 吕鹏飞 姚壹鑫 魏取福. 细菌纤维素/涤纶非织造布自编织复合材料的制备及其性能[J]. 纺织学报, 2018, 39(02): 126-131.
[10] 曹机良 孟春丽 曹毅 闫凯 吴宁杰 王潮霞. 烷基咪唑类双子型离子液体对涤纶织物的碱减量处理[J]. 纺织学报, 2018, 39(01): 79-83.
[11] 吴焕岭. 载药再生细菌纤维素纤维的制备及其表征[J]. 纺织学报, 2017, 38(05): 14-18.
[12] 李长龙 汤立洋 王宗乾 汪小翠. 不同体系下羽毛绒的溶解性能及光谱特性[J]. 纺织学报, 2017, 38(04): 27-31.
[13] 盛杰侦 闫新 秦俊霞 曹机良. 不对称咪唑类离子液体对腈纶缓染性能的影响[J]. 纺织学报, 2016, 37(10): 68-72.
[14] 叶晋浦 朱庆松 李晓俊 肖长发. 二醋酸纤维素与増塑剂熔融体系的制备与表征[J]. 纺织学报, 2016, 37(09): 6-11.
[15] 徐素梅 哈丽丹买买提 米娜瓦尔乌买尔. 月桂酸纤维素酯的酰化法制备及其成膜性能[J]. 纺织学报, 2016, 37(01): 11-15.
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  Discussed   
[1] 赵良臣;闻涛. 旋转组织设计的数学原理[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 33 -34 .
[2] 曹建达;顾小军;殷联甫. 用BP神经网络预测棉织物的手感[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 35 -36 .
[3] 【作者单位】:中国纺织工程学会秘书处【分类号】:+【DOI】:cnki:ISSN:0-.0.00-0-0【正文快照】:  香港桑麻基金会设立的“桑麻纺织科技奖” 0 0 年提名推荐工作;在纺织方面院士;专家和有关单位的大力支持下;收到了 个单位 (人 )推荐的 位候选人的. 2003年桑麻纺织科技奖获奖名单[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 107 .
[4] 【分类号】:Z【DOI】:cnki:ISSN:0-.0.00-0-0【正文快照】:  一;纺 纱模糊控制纺纱张力的研究周光茜等 ( - )………………原棉含杂与除杂效果评价方法的研究于永玲 ( - )……网络长丝纱免浆免捻功能的结构表征方法李栋高等 ( - )……………. 2003年纺织学报第二十四卷总目次[J]. 纺织学报, 2003, 24(06): 109 -620 .
[5] 朱敏;周翔. 准分子激光对聚合物材料的表面改性处理[J]. 纺织学报, 2004, 25(01): 1 -9 .
[6] 黄立新. Optim纤维及产品的开发与应用[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 101 -102 .
[7] 邓炳耀;晏雄. 热压对芳纶非织造布机械性能的影响[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 103 -104 .
[8] 张治国;尹红;陈志荣. 纤维前处理用精练助剂研究进展[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 105 -107 .
[9] 秦元春. 纺织工业发展方向初探[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 108 -110 .
[10] 高伟江;魏文斌. 纺织业发展的战略取向——从比较优势到竞争优势[J]. 纺织学报, 2004, 25(02): 111 -113 .