自振荡水凝胶的可控构筑机制

Self-oscillating hydrogels (SOHs) represent for one of the most popular topics in the field of intelligent polymer materials. However, SOHs networks constructed by traditional strategies are not controllable, leading to limited properties and controllability of SOHs. In this project, a new controlled construction mechanism is proposed. The main scientific problems include: 1) How the chain length and its dispersity is controlled by “living”/controlled polymerization. The self-oscillating polymers will be prepared by “living”/controlled polymerization, the conditions of “living”/controlled polymerization will be optimized and the controlled polymerization mechanism will be analyzed. 2) How the coupling process is controlled by “click” chemsitry and how the hydrogel network forms. The SOHs will be constructed by “click” chemsitry, the conditions of “click” chemsitry will be optimized and the controlled coupling mechanism will be analyzed. 3) The inherent structure-properties relationship will be studied by analyzing the results of structures and properties measurements. The results in this project will not only develop a new controlled “bottom-up” construction mechanism of SOHs on a molecualr scale, but also help to gain further insight into the structure-properties relationship of SOHs and to enrich the fundamental theories of SOHs.

自振荡水凝胶（SOHs）是智能高分子领域研究的前沿与热点。但是目前普遍采用的传统自由基聚合和交联机制不具备可控性，成为SOHs网络精确构筑、性能改善及结构-性能关系研究的主要瓶颈。本项目针对SOHs网络结构不可控的问题，提出了协同采用“活性”/可控聚合和“点击”反应从分子水平上可控构筑SOHs的新机制。内容包括：1）充分发挥“活性”/可控聚合的优势，实现自振荡高分子的可控制备，明确SOHs网络相邻交联点间分子链长度及分布的可控机制。2）结合“点击”反应的优点，优化SOHs“点击”反应条件，实现SOHs交联过程的可控性，揭示SOHs网络的可控交联机制。3）以SOHs可控构筑机制为指导，通过精确构筑凝胶网络深入研究SOHs结构-性能关系及机理。本项目不仅能揭示SOHs网络可控构筑的新机制，而且为SOHs网络的精确构筑、性能的有效调控及结构-性能关系的深入研究奠定理论和技术基础。

柔性电子材料是电子器件可穿戴化、便携化、智能化发展的基础，在显示、柔性电源、软体机器人和人机对接设备等方面有着广泛的应用前景。导电凝胶、智能响应凝胶具有独特的软湿特性、导电性、柔顺性及生物相容性，而且可以通过简单的基团修饰和工程技术对其化学结构和高层次物理结构进行系统调控。本项目主要围绕导电凝胶和智能响应凝胶网络结构与性能调控、结构性能关系及凝胶在柔性电子器件中的应用开展研究，旨在深入剖析凝胶网络结构对其性能的影响规律及机理，拓宽凝胶材料的应用范围，为凝胶材料的发展及应用提供理论依据与技术支持。.主要内容和结果包括：（1）提出高强度、高韧性凝胶网络的柔性共交联模型，创新采用两亲性三嵌段共聚物胶束、离子作用和氢键作用构筑凝胶网络，建立了高性能凝胶材料的柔性共交联构筑方法和“弹簧”效应/“拉链”效应双重增韧机制，成功制备了高强度（17.57 MPa）和高能量耗散能力（11.63 MJ/m3）凝胶材料。 在此基础上，将聚多巴胺（PDA）引入柔性共交联网络中，实现了水凝胶的可逆粘附特性、自愈合和应变传感性能。（2）以两亲性三嵌段共聚物胶束为交联剂，构筑了Poly(NIPAAm-co-Ru(bpy)32+)自振荡凝胶，揭示了特殊交联方式对凝胶溶胀行为、机械稳定性、荧光行为、热敏性能以及自振荡行为的影响规律；（3）基于导电凝胶的“刚柔并济”二元协同网络结构模型，成功构筑出兼具温敏、可拉伸和导电功能的凝胶材料。证实了该类材料在柔性应变传感器、温敏智能开关中应用的可行性，实现了高灵敏（GF=3.92）、宽响应范围（0~1130%）、快速响应（0.25 s）应变传感器的构筑，建立了传感器在健康检测、人机交互设备中的应用方法和技术；（4）创新设计出大分子交联的凝胶网络并通过静电作用将离子液体（[EMIM][DCA]）固定在网络中，实现了1.8倍于传统离子液体凝胶的超长拉伸离子液体凝胶材料（应变>850%，传统离子液凝胶最大拉伸<460%），证实了该凝胶在-28 °C~90 °C温度范围内的机械柔韧性。成功基于该凝胶组装出高灵敏（GF=2.08）、耐温（-28 °C~90 °C）、高传感范围（0~750%）、快速响应（200 ms）和高稳定性（>1400循环）的应变传感器和高灵敏电容式应力传感器(GF = 0.73 kPa−1)。