咪唑基六氟磷酸盐离子液体的凝胶化及其超分子凝胶性能研究

论文摘要

小分子量化合物凝胶因子可通过分子间氢键、π-π相互作用，以及其它非共价键作用形成超分子聚集体结构进而形成稳定的超分子凝胶。由于其具有介于固、液体之间的特性，被广泛应用在催化、电解质材料等领域。离子液体是由阴离子和阳离子组成的离子化合物，由于其液相温度范围宽、不挥发、高沸点、溶解性好、电导率高且电化学稳定窗口宽等优良性能日益受到广泛关注，尤其是在高效的电解质材料领域具有极大的应用前景。本文通过分子设计的方法将酰胺基团、苯环和烷基链引入凝胶因子的分子结构中，合成出三类结构不同的凝胶因子(4，4′-二（n-烷基酰胺基）二苯醚（简称BSDE-n，n为烷基链长，下同）；4，4′-二（n-烷基酰胺基）二苯甲烷（简称BSDM-n）；2，4-二（n-烷基酰胺基）甲苯（简称BSUT-n）。研究了三类凝胶因子在有机溶剂中凝胶化性能及自组装机理。侧重研究了三类凝胶因子在不同离子液体中的凝胶化，制备了离子液体超分子凝胶。研究了离子液体超分子凝胶的电化学性能和流变学性质。本论文包括以下主要内容：1、通过分子设计的方法合成的凝胶因子（BSDM-n，BSDE-n，BSUT-n）能在20多种有机溶剂中发生聚集、自组装，进而在这些有机溶剂中形成热可逆的超分子凝胶。分别研究了凝胶因子结构、凝胶因子浓度以及不同溶剂体系对凝胶体系的相转变温度(TGS)和最低凝胶化浓度（MGC）的影响。2、在三类凝胶因子的作用下，制备了离子液体[bmim]PF6超分子凝胶。凝胶化性能最好的三种凝胶因子分别为4，4′-二（辛酰胺基）二苯醚（简称BSDE-8），4，4′-二（辛酰胺基）二苯甲烷（简称BSDM-8），2，4-二（辛酰胺基）甲苯（简称BSUT-8）。结果表明，凝胶因子的最低凝胶化浓度按BSDE-8，BSDM-8，BSUT-8的顺序增加。离子液体超分子凝胶相转变温度TGS按BSDE-8，BSDM-8，BSUT-8的顺序减小。采用偏光显微镜研究了凝胶因子在离子液体中的自组装机理，结果表明，凝胶因子首先形成纤维状聚集体并进一步聚集形成球晶状结构。3、采用线性电位扫描，循环伏安法和交流阻抗法等电化学测试方法，研究了离子液体超分子凝胶的电化学性能。结果表明，凝胶体系具有较宽的电化学稳定窗口，一般为—2．6V到2．6V。采用BSDE-8制备的离子液体凝胶的电化学窗口为—2．6V到1．6V，这主要是由于BSDE-8分子中醚氧键（—O—）在1．6V处容易被氧化。电导率随温度的变化关系符合阿累尼乌斯方程，且凝胶体系电导率同纯离子液体电导率差别在同一数量级。BSDE-8离子液体超分子凝胶的电导率最高，是因为醚氧键（—O—）与苯环之间的大π键容易导致凝胶因子之间的π-π堆积，增强了凝胶因子之间的作用力，减少了凝胶体系中凝胶因子与离子液体之间的相互作用，使得更多的离子能够参与导电。因此，凝胶因子的结构对离子液体超分子凝胶体系的电化学行为有重要影响。4、用ARES流变仪研究了三种离子液体超分子凝胶体系的流变学性质。应变扫描结果表明，当应变振幅为0．4％时，三种离子液体超分子凝胶体系的应变在其线性粘弹区内。频率扫描结果表明，随着剪切速率的增加，凝胶体系的弹性模量（G′）和粘性模量（G″）随之增加，高浓度体系的弹性模量（G′）和粘性模量（G″）分别比低浓度体系的高。凝胶体系的tanδ在整个频率范围内均小于1，凝胶因子浓度较低时，tanδ随频率的增加而减小；浓度较高时tanδ随频率的增加先减小后增大。凝胶体系复合粘度η*随着凝胶因子浓度的增加在同一剪切频率下也增加，而在同一凝胶因子浓度下凝胶体系复合粘度η*随剪切频率的增加而减小，呈现剪切变稀性质。温度扫描结果表明，随着温度的增加，离子液体凝胶体系的弹性模量（G′）和粘性模量（G″）均增大，在整个温度范围内G′＞G″，凝胶体系表现固态弹性行为。凝胶体系tanδ随温度的增加先升高后减小，在测试范围内tanδ＜1。凝胶体系的复合粘度η*随温度的升高而增加。在相同温度、相同剪切速率及相同凝胶因子浓度的条件下，离子液体超分子凝胶体系的弹性模量G′和复合粘度η*均按BSDE-8，BSDM-8，BSUT-8的顺序减小。这是因为三种凝胶因子相比，BSDE-8分子间最容易形成π-π堆积，增强了凝胶因子之间的作用力，使形成的凝胶因子聚集体三维网络结构更致密，导致凝胶体系具有更高的复合粘度η*和弹性模量G′。因此，凝胶因子的结构对离子液体超分子凝胶体系的流变学行为有重要影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 凝胶因子简介
• 1.3 超分子凝胶的形成过程
• 1.4 影响凝胶因子聚集组装形成超分子凝胶的因素
• 1.4.1 凝胶因子浓度对形成超分子凝胶的影响
• 1.4.2 温度对形成超分子凝胶的影响
• 1.4.3 溶剂作用对形成超分子凝胶的影响
• 1.4.4 溶液pH值对形成超分子凝胶的影响
• 1.4.5 外加溶质对形成超分子凝胶的影响
• 1.5 离子液体的分类、性质和应用
• 1.5.1 离子液体的分类
• 1.5.2 离子液体的性质
• 1.5.3 离子液体的应用
• 1.6 离子液体凝胶的分类与研究
• 1.6.1 离子液体聚合物凝胶
• 1.6.2 离子液体超分子凝胶
• 1.7 本文的研究意义和主要内容
• 1.7.1 本文的研究意义
• 1.7.2 本文的主要研究内容
• 2 凝胶因子的合成以及超分子有机凝胶的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验与方法
• 2.2.1 实验药品
• 2.2.2 主要仪器
• 2.2.3 无水溶剂的制备
• 2.2.4 主要试剂的精制
• 2.2.5 凝胶因子的合成
• 2.2.6 结构表征与性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 二苯甲烷基双酰胺凝胶因子的凝胶化能力
• 2.3.2 二脲衍生物凝胶因子的凝胶化能力
• 2.3.3 二苯醚基双酰胺凝胶因子的凝胶化能力
• 2.3.4 不同种类凝胶因子凝胶化性能的差异
• 2.3.5 凝胶体系的微观形态
• 2.4 本章小结
• 3 离子液体超分子凝胶化性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验与方法
• 3.2.1 实验药品
• 3.2.2 主要仪器
• 3.2.3 离子液体的无水处理
• 3.2.4 离子液体凝胶的制备
• GS)的测定'>3.2.5 离子液体凝胶相转变温度(T_GS)的测定
• 3.2.6 偏光显微镜（POM）
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 BSDM-n类凝胶因子在离子液体中的凝胶化性能凝胶化性能
• 3.3.2 BSDE-n类凝胶因子在离子液体中的凝胶化性能凝胶化性能
• 3.3.3 BSUT-n类凝胶因子在离子液体中的凝胶化性能凝胶化性能
• 3.3.4 加热温度对制备离子液体凝胶体系的影响
• 3.3.5 离子液体凝胶的偏光显微镜照片（POM）
• 3.4 本章小结
• 4 离子液体超分子凝胶的电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验与方法
• 4.2.1 实验药品
• 4.2.2 主要仪器
• 4.2.3 离子液体凝胶的制备
• 4.2.4 线性扫描的测定
• 4.2.5 电化学窗口的测定
• 4.2.6 交流阻抗的测定
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 离子液体凝胶的线性扫描研究
• 4.3.2 离子液体凝胶的电化学窗口研究
• 4.3.3 离子液体凝胶的交流阻抗研究
• 4.3.4 离子液体凝胶的电导率研究
• 4.4 本章小节
• 5 离子液体超分子凝胶的流变学性质研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验与方法
• 5.2.1 实验药品
• 5.2.2 主要仪器
• 5.2.3 离子液体凝胶的制备
• 5.2.4 流变学性质测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 离子液体超分子凝胶的线性粘弹区研究
• 5.3.2 BSDM-8离子液体超分子凝胶的流变学性质
• 5.3.3 BSDE-8离子液体超分子凝胶的流变学性质
• 5.3.4 BSUT-8离子液体超分子凝胶的流变学性质
• 5.3.5 凝胶因子种类对离子液体超分子凝胶的流变学性质的影响
• 5.4 本章小结
• 6 全文总结
• 6.1 本论文主要研究成果
• 6.2 本论文的创新之处
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间已发表和待发表的论文
• 1HNMR,MS谱图'>附录2 FT-IR,¹HNMR,MS谱图
• 附录3 主要缩写词表