天然高分子导电水凝胶的性能调控与机理研究

Conductive hydrogels based on natural polymers have shown more and more potential applications in many fields. While aggregation structure of such materials, such as chain entanglement, interaction between the components, and the dynamics of molecular chains are still unclear. There are even less knowledge on the conductive mechanism. The basic research is far behind the application research. In this project, the applicant will investigate the conductive mechanism form basic structure and molecule dynamics. The NMR technique will be mainly used to study the relationship between the ion migration rate and the polymer chain entanglement as well as molecule dynamics; the separation degree of the cation/anion pairs; the statement and dynamics of water molecules. Further, the structure, dynamics and properties of such hydrogels, especially the thermo-sensitive samples, will also be study at different temperature and external force field. How these microscopic indexes affect the macroscopic properties will also be study. From the multiple prospective investigations, the conductive mechanism may be described from omnibearing. It is expected that the implementation of this project will offer better reference for the structure design and property control of functional conductive hydrogels based on natural polymers.

天然高分子基导电水凝胶在许多领域都有着越来越宽广的应用前景。然而目前对于此类凝胶材料中的聚集态结构并不明确，尤其是复合体系中高分子的链缠结行为、各组分之间的相互作用及其空间信息以及分子运动状态等。对这一复杂体系中导电机理的认知则更加缺乏。基础研究远远滞后于应用研究。本课题拟从最基本的结构和分子运动出发，以NMR为主要手段，从分子层面研究这一体系的导电机理。力求揭示离子迁移速率与凝胶中高分子链的结构及运动性之间的关联；探究正/负离子在凝胶中的分离程度；了解水分子的状态和运动性对导电性能的影响。此外，还将研究此类凝胶材料（尤其是具有温敏性的凝胶材料）在不同温度和外力场下的结构特性与分子运动，以及它们对宏观导电性能的影响。通过多方位的研究，从不同的视角对天然高分子基导电水凝胶的导电机理进行全方位的阐述，从而为结构设计和性能的调控提供更直接的理论参考。

天然高分子基导电水凝胶在许多领域都有着宽广的应用前景。然而目前对于此类材料中的结构与性能之间的关系的研究并不成熟，尤其是复合体系中高分子的链缠结行为、各组分之间的相互作用以及分子运动状态等。对这一复杂体系中导电机理的认知则更加缺乏。本课题研究了导电水凝胶的结构与性能之间的关系，并从最基本的结构和分子运动出发，以NMR为主要手段，从分子层面研究了该体系的导电机理。在基金委的支持下，依照申请书中的研究内容和目的，本项目所取得了如下结果：.1) 对天然高分子水凝胶的结构与性能之间的关系进行了研究，以海藻酸钠、纤维素、壳聚糖等天然高分子为基，设计制备出多种不同功能的天然高分子水凝胶，如形状记忆，温度敏感，pH响应、高拉伸、可自愈等。特别是具备超快自愈、水下自愈等性能的水凝胶。.2）以上述功能性天然高分子水凝胶为基础，制备出一系列柔性水凝胶传感器，如温度传感器、应力应变传感器，以及可以同时识别温度和应变的多重刺激响应的柔性传感器，不仅可以用于肢体运动等大幅度运动的监测，还可实现对面部表情变化、咽喉吞咽、声带振动等轻微动作的监测，并实现对运动方向的识别。.3）以上述功能性天然高分子水凝胶为基础，制备出一系列高能量密度柔性超级电容器。利用水凝胶网络结构中的亲水官能团与水分子间的相互作用，有效限制水分子的运动性，拓展水凝胶电解质耐受电压范围，使得以其为电解质的超级电容的工作窗口电压达到0-2.4 V，大大突破了水的电解反应电位。.4）以NMR为主要技术手段，研究了天然高分子导电水凝胶组分之间的相互作用，溶胀特性、水分子在凝胶中的不同状态，以及金属离子与分子链之间的相互作用。以含有锂盐的纤维素水凝胶为例，7Li NMR研究发现体系中出现两种不同状态的Li+，其中一种是游离的Li+，另一种是与纤维素分子链上的-OH发生配位作用的Li+，水凝胶的导电性与两种Li的含量有关，35Cl NMR研究发现引力与高分子链之间没有明显的相互作用，初步解释了导电水凝胶的导电机理。