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水凝胶材料因其吸水性、重塑性和敏感性等独特的理化性质,在生物医药、传感器、储能装置、环境工程等方面具有巨大应用前景,这促进了研究者们对水凝胶关注程度,同时也对水凝胶的机械性能提出了更高的要求。通过对水凝胶的组成和结构设计优化,能够改善水凝胶的机械性能。物理交联水凝胶和复合交联类型水凝胶以其优异的拉伸能力、强度和自修复能力被广泛研究。本文通过向聚丙烯酸(PAA)水凝胶体系内引入聚硫脲结构,以提高水凝胶内部氢键作用的密度,然后通过化学交联作用、疏水作用和静电作用等非共价键作用的协同作用来提高水凝胶的机械性能。最后,我们对水凝胶在固态超级电容方面的应用进行了初步的探索。本文主要工作和相应结论如下:1.制备了聚硫脲为中间嵌段,聚赖氨酸为末端嵌段的两亲性三嵌段聚合物LTL和乙烯基化的聚硫脲MT。三嵌段聚合物LTL与MT在水溶液中通过氢键自组装形成LTL/MT胶束。以LTL/MT胶束作为大分子交联剂,开发了高性能的PAA/LTL/MT水凝胶。由于氢键作用、静电作用以及化学交联作用,PAA/LTL/MT水凝胶显示出高达78倍的拉伸应变,1.75 MJ/m3的断裂能,以及4.8 MPa的最大真应力。同时该水凝胶耗散能量达到总拉伸功的40%,24 h自修复率达80%以上。由于PAA/LTL/MT水凝胶的多孔结构,在引入氯化钾离子后,该水凝胶显示出良好的离子导电能力,具有潜在的电子应用价值。2.为进一步提高PAA水凝胶的恢复能力、自修复能力和重塑能力,我们通过RAFT设计并成功合成了三嵌段聚合物MNTNM。其中间嵌段仍为具有高密氢键的聚硫脲结构,两端嵌段具有疏水基团和氢键结构,使用氢键键合的MNTNM胶束作为物理交联剂,开发了高性能的纯物理PAA/MNTNM水凝胶。得益于氢键作用和疏水保护作用,以及静电相互作用,水凝胶拉伸应变高达75倍,以及断裂能达到1.8 MJ/m3,其最大真应力可以达到3.5 MPa。水凝胶还具有优异的回弹性能,24h自修复效率80%以上,同时该水凝胶还具有重塑能力。PAA/MNTNM水凝胶具有优异的电学性能,拉伸过程中敏感度为2.53,其在应变传感器上具有的潜在应用价值。3.水凝胶在固态超级电容器方面的应用前景巨大。我们对这方面的应用做出了初步的尝试。通过无规共聚合成了具有苯胺结构和苯磺酸基团的聚合物PSSIM,将其作为交联剂制备了 PVA/PANI/PSSIM水凝胶电极。以PVA/H2SO4为固态电解质,PVA/PANI/PSSIM水凝胶为电极,导电碳布为集电极组装了固态超级电容。在交联剂PSSIM的作用下,PVA/PANI/PSSIM水凝胶中苯胺含量得到提高,苯磺酸的掺杂作用提高了聚苯胺的导电能力。所制备的固态电容器具有135 F/g的比电容,并且在弯曲变形多次后仍能保持较高的电容水平。