关于聚氯乙烯凝胶与离子液体集成弯曲致动及自感知能力研究的学术报告
本文介绍的是一项发表于《Advanced Functional Materials》期刊，于2022年6月22日正式在线发表的原创性研究。该研究的主要作者是Zhiwei Liu, Beibei Li, Ying Dan Liu* 和 Yongri Liang*，其所属机构为燕山大学材料科学与工程学院及亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室。
一、 研究背景与目标
该研究属于电活性聚合物（Electroactive Polymers, EAPs）与软体致动器（Soft Actuator）领域。背景源于自然界生物系统集传感、致动与计算功能于一体的卓越能力，为人工系统提供了仿生设计的蓝图。然而，在智能材料领域，尤其是在电活性聚合物中，同时实现高致动性能与高传感灵敏度是一个长期存在的挑战。通常，提升材料电导率有利于压力传感，却会损害其电致动性能。
具体到介电聚合物凝胶（Dielectric Polymer Gel, DPG），尤其是已被广泛研究的聚氯乙烯凝胶（PVC gel），其作为一种电子型电活性弹性体，具有模量低、介电常数高、驱动电压低、驱动自由度多样等优势。传统PVC凝胶（通常由PVC与增塑剂如己二酸二丁酯DBA组成）在电场下能产生显著的弯曲或爬行运动，其机理被广泛认为是增塑剂在电场作用下向正极迁移形成溶剂富集层，进而引发形变。但迄今为止，PVC凝胶集成致动与自感知（Self-sensing）功能的能力尚未得到充分证实。
因此，本研究的主要目标是：通过在PVC/DBA凝胶体系中引入少量离子液体（Ionic Liquids, ILs），开发一种新型的PVC/DBA/IL凝胶复合材料，使其不仅能在外加电场下产生高效的弯曲致动，还能对外部压力产生电容式响应，从而实现集成的弯曲致动与压力自感知能力，为开发功能集成的软体致动器提供新思路。
二、 详细研究流程与方法
本研究遵循了从材料制备、性能表征到机理探究的系统性流程，包含以下几个主要步骤：
步骤一：材料设计与制备 研究采用溶液浇铸法制备凝胶样品。基础凝胶为PVC与增塑剂DBA按重量比1:2混合。在此基础上，引入三种咪唑类离子液体：[amim]Cl、[amim]BF₄和[amim]NTf₂。凝胶命名规则为P/[IL名称]（重量百分比），例如含有3.3 wt% [amim]NTf₂的凝胶记为P/[amim]NTf₂ (3.3 wt%)。通过预实验优化了PVC、DBA与IL的比例（重量比固定为1:2:0.1作为主要研究对象），并系统研究了IL浓度对性能的影响。
步骤二：电致弯曲致动性能表征 为精确评估致动性能，研究团队构建了一套自制电场诱导弯曲位移测量系统。该系统将PVC凝胶薄膜（厚度约0.3 mm，长度约20 mm）一端夹持固定，使其自由端悬置于两个ITO玻璃电极之间，形成自由电极构型。施加直流电场后，测量凝胶薄膜自由端向阳极弯曲的位移。测试内容包括： 1. 电压-位移/应力关系：在不同电压（最高7.2 kV，对应名义电场180 V/mm）下测量弯曲位移，并根据梁弯曲模型计算输出应力。 2. 响应与恢复时间：通过施加方波电场，测量位移上升至稳定值以及撤去电场后恢复所需的时间。 3. 耐久性与稳定性：包括在恒定电压下位移随时间的变化（蠕变），以及在多个循环周期（如10个、50个）的方波电场下，最大位移的稳定性。
步骤三：电容式压力传感性能表征 为了探究凝胶的自感知能力，研究将样品置于电子万能试验机与数字源表结合的装置中。在施加不同静态压力的同时，实时测量凝胶薄膜的电容变化。分析电容相对变化（δC/C₀）与压力之间的关系，计算不同压力区间的灵敏度（Sensitivity） （单位kPa⁻¹）。重点观察了是否存在因IL引入而导致的电容突变现象。
步骤四：结构与性能机理分析 为深入理解性能提升的根源，研究者对凝胶进行了全面的结构和物理化学性质表征： 1. 结构与形貌：采用X射线衍射（XRD）和差示扫描量热法（DSC） 分析PVC凝胶的晶体结构、结晶度以及DBA的结晶行为。通过相衬光学显微镜（PCOM） 观察凝胶的相分离形貌。 2. 分子间相互作用：利用傅里叶变换红外光谱（FTIR），重点分析C=O（来自DBA）和C-N（来自咪唑环）的伸缩振动峰位移动和峰形变化，以揭示PVC、DBA与IL之间的氢键、离子-偶极等相互作用。 3. 介电与电学性能：测量了凝胶的介电常数（Dielectric Constant）和介电损耗因子（Dielectric Dissipation Factor） 随频率的变化，以评估极化行为和离子迁移能力。同时测量了凝胶在高温（80°C）下的重量损失，以评估IL对DBA迁移性的影响。 4. 力学性能：通过拉伸测试获得了凝胶的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率。 5. 表面电荷与电学行为：使用数字静电场计测量凝胶在电场作用下的表面静电场强度。使用铁电分析仪测量电流-电场曲线，分析导电阈值和离子迁移行为。
步骤五：机理建模与工作原理论证 基于上述实验结果，研究者对传统基于溶剂富集层的弯曲机理进行了修正，提出了适用于自由电极构型的静电吸引差异致动机制。并进一步提出了集成弯曲致动与自感知功能的电子控制系统工作逻辑图。
三、 主要研究结果及其逻辑关联
结果一：电致弯曲致动性能显著提升。 所有PVC/DBA/IL凝胶的弯曲位移均优于纯PVC/DBA凝胶，且性能随IL阴离子尺寸增大而提升。其中，P/[amim]NTf₂ (3.3 wt%)凝胶表现最优：在7.2 kV（180 V/mm）电场下，弯曲位移达6.6 mm（对应弯曲角24°），输出应力达0.607 Pa，分别是PVC/DBA凝胶（3.5 mm, 0.417 Pa）的1.9倍和1.5倍。响应和恢复时间与基础凝胶相当（~4.5 s和~6 s），且在50次循环测试中表现出优异的长期稳定性。值得注意的是，P/[amim]NTf₂凝胶在恒定电压下的位移随时间略有下降（-6.3%），而PVC/DBA凝胶则上升（+17.1%），这暗示了两者致动机理可能存在差异。
结果二：实现兼具高灵敏度和“触发”功能的压力自感知。 所有凝胶在低压区（0-2.2 kPa）均表现出线性电容响应。P/[amim]NTf₂ (3.3 wt%)的灵敏度为0.42 kPa⁻¹，高于PVC/DBA凝胶的0.27 kPa⁻¹。关键发现是：含[amim]BF₄和[amim]NTf₂的凝胶在特定压力区间（分别为4.4-5.3 kPa和2.2-2.7 kPa）出现了电容的突然急剧变化，灵敏度分别飙升至20.8 kPa⁻¹和47.5 kPa⁻¹。这种“突变”行为在IL浓度高于2.0 wt%时出现，可作为压力触发或开关阈值。而含[amim]Cl和纯PVC/DBA凝胶则无此现象或灵敏度降低。
结果三：揭示了IL增强性能的微观机理。 一系列表征数据揭示了性能提升的内在原因： 1. 结构与相互作用：XRD和DSC表明IL的加入不影响PVC的结晶度（~15%），但显著抑制了DBA的结晶（熔融焓降低），尤其是对[amim]NTf₂。FTIR分析证实，IL的阳离子（咪唑环）与DBA的C=O之间存在相互作用，同时IL的阴离子（如BF₄⁻， NTf₂⁻）可能与PVC的H-C-Cl基团作用。这些相互作用削弱了DBA分子间的聚集，并促进了IL自身阴阳离子的解离。 2. 介电与传输性质：IL的加入，特别是[amim]NTf₂，使凝胶的介电常数在100 Hz下从28剧增至22,879，增幅超过800倍。介电损耗峰向高频移动（从98 Hz移至10,969 Hz），表明极化响应更快。重量损失实验表明IL的加入轻微降低了DBA的迁移损失率。 3. 力学与电学：IL起到了增塑作用，略微降低了凝胶的模量和拉伸强度，提高了断裂伸长率。电流-电场曲线显示，在远低于致动所需电场的强度下，凝胶未发生长程离子迁移，排除了传统电渗机制的主导作用。
结果四：提出并验证了新的致动机理。 基于表面电荷测量结果（P/[amim]NTf₂凝胶表面电场弱于PVC/DBA凝胶），并结合其极高的介电常数，研究者提出了新的解释：在自由电极和空气隙构成的系统中，高介电常数的凝胶会导致其表面与电极之间的电势差分配发生变化。凝胶表面因界面极化而积累电荷，与两侧电极之间产生静电吸引力。由于正负极侧表面电荷密度不同（负极侧因离子或偶极子迁移而电荷密度更高），导致向阳极的静电吸引力（Fa）大于向阴极的力（Fc），净力差驱动凝胶向阳极弯曲。IL通过极大提高介电常数和提供可迁移离子，显著增强了这一静电效应。
结果间的逻辑链条：IL的引入（因）→ 与PVC/DBA发生特定分子相互作用 → 促进IL解离、抑制DBA聚集、极大提升介电常数（微观机理）→ 导致在电场下产生更强的表面电荷差异和静电驱动力（致动机理），以及在压力下因离子富集而产生电容突变（传感机理）→ 最终表现为集成的高致动性能与独特的自感知触发功能（果）。
四、 研究结论与价值
本研究成功制备了一种新型的PVC/DBA/IL凝胶复合材料，并首次系统性地实验论证了其在单一材料中集成的弯曲致动与电容式压力自感知能力。具体结论如下： 1. 少量特定IL（尤其是[amim]NTf₂）的加入，能协同提升PVC凝胶的电致弯曲致动位移、输出应力以及压力传感灵敏度。 2. 性能提升的根源在于IL与凝胶组分间的相互作用促进了离子解离，并大幅提高了材料的低频率介电常数，从而优化了静电驱动力。 3. 发现了由IL引入的、在特定压力下的电容突变现象，该现象可作为可靠的压力触发信号，为实现基于自感知反馈的安全、精确致动控制提供了可能。 4. 提出了适用于自由电极构型的静电吸引差异致动机理，为理解和发展此类介电凝胶致动器提供了新的理论视角。
科学价值：该工作突破了传统电活性材料“传感”与“致动”性能难以兼得的瓶颈，为设计仿生集成智能材料提供了新的材料体系和物理机制见解。它揭示了通过引入离子液体调控介电聚合物凝胶的介电特性、离子迁移和分子相互作用，是实现功能集成的有效策略。
应用价值：这种集自感知与致动于一体的凝胶材料，在软体机器人抓手、自适应机翼、智能流体阀门、仿生假肢以及可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。其自感知功能可实现无外部传感器的闭环控制，提高系统安全性、可靠性和紧凑性。
五、 研究亮点
六、 其他有价值内容
研究在最后部分前瞻性地描绘了基于此类凝胶的自感知致动器工作逻辑：当致动器受到物体或流体压力时，压力被转换为电容信号并反馈给控制器；控制器根据预设的“压力-所需位移”关系，调节高压电源输出，从而形成一个基于自感知反馈的闭环控制系统。这一构想清晰指明了该材料的应用路径和系统集成方案，极具启发性。