强韧疏水缔合型水凝胶的制备及应用

In this proposal, we propose to design and fabricate novel robust hydrophobic association hydrogels with excellent high mechanical strengths, autonomously self-heal and reforming capacities. A series of physically double network or dual physical cross-linked robust hydrogels will be fabricated by introducing nanoparticles, crystallizability polymer or metal salt into the conventional hydrophobic association hydrogels via in-situ micellar copolymerization combining in-situ composite or freeze-thaw cycling method. The mechanical strength and self-healing efficiency of the gels can be dramatically enhanced by combining synergistic cross-linking effect provided by hydrophobically associated micelles and interaction between polymer chains and nanoparticles, crystalline microdomains and ionic interactions respectively. The dual physical cross-linked or double physically network hydrogels with certain application capacities are to be obtained. The hydrogel samples with different compose and microstructures will be prepared by changing monomer compose, content and morphology of nanoparticles, content of crystallizability polymer and metal salt, content and type of surfactants respectively. The comprehensive properties of these hydrogel samples are to be investigated. Moreover, mechanism and effects of swelling and collapsing, reforming and reestablishing behavior of hydrophobic association will be studied. Simultaneously, the effects of components and structure on mechanical and application properties of the resulting hydrogels are also to be systematic studied. Finally, based on understanding the mechanism of various properties, the robust hydrophobic association hydrogels will be obtained. Futhermore, the applications of hydrogels in dye adsorption, industrial, drug-delivery system, soft sensing devices and repair cell scaffold will be explored.

本项目旨在设计、制备高强度疏水缔合型水凝胶，其兼具高力学强度、自愈合以及重塑等性能。拟从研究高强度疏水缔合聚合物水凝胶设计合成入手，在传统的疏水缔合体系中，引入纳米离子、结晶聚合物、多价金属盐，通过原位胶束共聚，结合原位复合、循环冷冻等方法，制备高强度全物理交联的疏水缔合水凝胶。凝胶中疏水缔合胶束与纳米粒子、结晶微区、离子键共同起到交联作用，形成双网络或双交联结构，同时提高凝胶力学强度及自愈合性，并赋予凝胶一定的功能。通过改变凝胶体系单体种类与组成、纳米粒子的种类与形貌、结晶聚合物、金属盐、表面活性剂的种类与用量等，合成内部结构不同的凝胶样品。研究凝胶综合性质的变化，以及其溶解或崩解机制及其影响因素，分析缔合结构重组及演变行为，系统考察凝胶结构与性能的关系，明确不同性能间的相互制约机制，以制备疏水缔合型高强度水凝胶。进一步研究其在染料吸附、药物控释、柔性传感器、细胞支架材料等方面的应用。

由于水凝胶的柔软度与生物组织比较相似，具有很好的生物相容性，在药物控制释放、组织工程和生物传感器等方面有广泛的应用。虽然关于高强度疏水缔合水凝胶（HA-gels）的合成已有文献报道，但通过纳米复合、微晶交联、离子交联结构结合等方法其力学性能的文献报道却很少。本项目的主要研究内容包括：通过原位胶束共聚，结合原位纳米复合、离子复合、循环冷冻等方法，在传统的HA-gels体系中，引入纳米复合、微晶交联、离子交联结构，制备出高强度全物理交联的HA-gels。研究凝胶的结构；测试凝胶的力学性能、自愈合与重塑性能；分析凝胶网络组成、结构与其性能间的关系。通过改变凝胶体系单体种类组成、纳米粒子的种类与形貌（如片层状、棒状）、离子种类（价态）、表面活性剂的种类与用量、制备步骤与条件等。进一步研究凝胶在染料吸附、柔性传感器以及太阳能蒸发器等方面的应用。.项目研究主要围绕高强度疏水缔合聚合物水凝胶合成及其在染料吸附、柔性传感器、等方面的应用等问题开展研究工作，主要按计划完成了以下研究工作：.将纳米复合引入HA-gels制备了高性能的HA复合水凝胶，表征了凝胶的结构，测试了凝胶的力学、电学性能，主要研究了凝胶在染料吸附、柔性传感器等方面的应用。研究了通过引入甘油、乙二醇和氯化钙提高HA水凝胶抗冻保湿的机理；在此基础上，分别将碳纳米管、氧化石墨烯、MXene、银纳米纤维、聚噻吩、聚苯胺引入凝胶中，制备得到具有抗冻保湿性能的高强度水凝胶传感器和摩擦纳米发电机（TENG）。.此外，围绕课题研究还进行了，具有光控变电导率的离子导电凝胶的制备、用于信息存储与显示的可由体温触发的图案化温敏水凝胶以及基于光热效应的“可焊接”氢键水凝胶的制备与应用研究等的研究探索。为凝胶合成提供了新的方法与思路，具有重要的研究意义和潜在的实际应用前景。