近年来，柔性可穿戴水凝胶应变传感器在医疗保健、人机交互、柔性器件、智能可穿戴设备等领域受到了广泛关注。自愈性、可拉伸性、粘附性、均匀性和透明度是水凝胶应变传感器的重要指标，对推动导电水凝胶在柔性电子皮肤等高科技领域的实际应用具有现实意义。然而，目前文献报道的人工合成水凝胶很难实现这些功能的兼容。
为了解决上述问题，河北科技大学余旭东教授团队合成了一类新型的基于聚丙烯酸和氧化聚乙烯亚胺的双网络水凝胶体系。该研究通过聚乙烯亚胺的氧化反应和聚丙烯酸的自由基聚合物反应的协同作用，可在1分钟内快速制备基于聚合物簇的双网络水凝胶体系，同时，芳香族甲酸和聚合物簇作为超分子交联剂可以有效提升双网络水凝胶的各项力学性能指标。该研究成果以“Ultrafast Self-Healing, Superstretchable, and Ultra-Strong Polymer Cluster-Based Adhesive Based on Aromatic Acid Cross-Linkers for Excellent Hydrogel Strain Sensors”为题发表于Small期刊。
图1. PAA-co-PAAS@ohPEI@TTpy水凝胶的设计原理、制备过程及超分子间作用说明。
如图1A所示，他们首先设计制备了含有三个羧酸功能团的有机凝胶因子TTPy，分子由于含有-COOH和芳香环的存在有望提升水凝胶网络中的氢键作用和π-π相互作用，从而有助于提升后续合成的水凝胶的韧性和自修复性等性能。水凝胶为一种互穿双网络（DN）聚合物，由聚乙烯亚胺（hPEI）和丙烯酸（AA）构成聚合物双网络骨架。氢氧化钠的使用使得PAA网络上部分-COOH发生去质子化，网络记为PAA-co-PAAS，可提供羧酸、羧酸负离子作为氢键位点和负电荷网络。在热引发剂过硫酸铵（APS）的存在下hPEI可被氧化生成ohPEI簇，网络含有丰富氨基官能团作为正电荷网络。值得一提的是，ohPEI团簇的生成对于溶胶-凝胶转变过程至关重要，在APS的引发下于hPEI被氧化同时放热使得AA在室温下聚合形成网络结构。另外，TTpy作为动态小分子交联剂通过-COOH与PAA-co-PAA和ohPEI网络形成氢键作用，进一步提升了水凝胶的机械性能、自愈性能等综合性能，克服化学网络在拉伸过程中可能出现的不可逆损伤导致的性能变差等问题。利用聚合物簇相互作用和TTPy作为超分子交联剂，通过多种非共价相互作用（氢键、π-π、静电作用、聚合物簇间的偶极-偶极作用等），筛选出具有瞬时自愈性（<1 s，愈合率93%）、高透明度（透明度>90%）、高导电性（2.58 mS/cm）、超长拉伸（高达 12298%）、超强粘附力（木材最高可达 29.59 MPa）的PAA-co-PAAS@ohPEI@TTPy双网络（DN）水凝胶（如图2A所示）。
图2.PAA-co-PAAS@ohPEI@TTpy水凝胶的各项性能
河北科技大学理学院硕士研究生陈春为本文的第一作者，河北科技大学理学院庞雪蕾和余旭东教授为本文的通讯作者。
该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（22271074）、河北省杰青（B2019208415）等项目支持。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305875
相关进展
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