基于导电高分子的高强度水凝胶的形成及其功能化

高强度电活性高分子水凝胶是"人工肌肉"、电激励器等的理想基质材料。针对目前导电高分子水凝胶机械强度差的现实问题，本项目拟以优化导电高分子功能、建立合理的网络结构、同时提升导电高分子水凝胶强度和智能性为宗旨，开展基于导电高分子的高强度水凝胶的形成及其功能化研究。在实验上，采用超分子自组装方法，利用导电高分子、阴离子聚电解质、多价阳离子间的相互作用，建立直接从单体制备具三维宏观尺寸的导电高分子功能水凝胶的方法。研究将导电高分子功能水凝胶引入聚丙烯酸、聚丙烯酰胺等高交联度的水凝胶中实现强度提升后其多重网络的微观形态、相结构及形成机制，考察高强度水凝胶材料在导电态和绝缘态间的切换及其在不同外部刺激下物理结构和化学性质的变化。在理论上，运用量化计算、分子模拟等手段研究凝胶体系的分子构象、链堆砌及局部链运动等，建立起基于导电高分子的水凝胶材料的增强模型，为阐明其增强效应并改进完善凝胶体系提供理论依据。

导电聚合物水凝胶具有普通水凝胶的机械性质、溶胀性质以及导电聚合物的优异的电子传输性能，近年来引起了人们极大的关注。但导电聚合物水凝胶的机械强度较低，限制了其在传感器、电容器、制动器、人造肌肉等领域的广泛应用。制备兼具高机械强度和电化学活性的导电聚合物水凝胶是这类材料发展和应用过程中亟待解决的问题。本项目将利用超分子自组装法制备的聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸（PEDOT-PSS）水凝胶与聚丙烯酸（PAA）二重网络（DN）水凝胶复合，制备了兼具高机械强度和电化学活性的PAA/PAA/PEDOT-PSS三重网络（TN）水凝胶；对TN水凝胶的机械性质、流变性质、微观结构、分子构象等进行了研究，提出了材料的增强机理，并探讨了其在电化学传感器、超级电容器中的应用。在此基础上，将自身为半互穿网络的PEDOT-PSS水凝胶与电中性的聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶复合，制备了具有较高机械强度的PAAm/PEDOT- PSS特殊二重网络（sDN）水凝胶，实现了导电聚合物水凝胶增强过程的简化及水凝胶功能的提升；系统研究了sDN水凝胶中各组分对材料机械性质、微观结构等的影响，提出了sDN水凝胶多步断裂过程中形成PEDOT碎片的特殊增强机理，探讨了其在电制动器中的应用。这些工作的新颖之处在于将多重网络凝胶的高机械强度和导电聚合物的电化学活性相结合，实现了高强度水凝胶材料的功能化，对柔性电子元件及柔性器械的发展和应用具有重要意义。为了进一步简化高强度导电聚合物水凝胶的制备过程，我们利用超分子自组装，在优化的实验条件下一步法制备了具有自增强功能的PEDOT- PSS水凝胶。通过系统研究，总结出了自增强水凝胶的优化制备条件，对材料的电导率与表面组成、微观结构的关系进行了分析，提出了材料的自增强机理，发现PEDOT-PSS水凝胶自增强功能的实现与其紧密的微观结构和均匀的相结构密切相关。这项工作的意义不仅在于在实践上实现了导电聚合物水凝胶制备过程的便利性以及高机械强度与电化学活性的结合，而且在理论上使我们对水凝胶材料的增强机理有了更深刻的理解，并为通过简便的制备过程获得兼具高机械强度和优异功能的聚合物材料提供了思路。此外，本项目在导电聚合物纳/微米结构的可控构筑、导电聚合物与金属或无机半导体的纳米复合体系的设计、制备及其性质调控以及导电聚合物复合功能膜的制备及其应用方面也进行了有成效的探索。