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由于具有特殊的组成与结构,高分子凝胶(块状凝胶或凝胶膜)通常展现出多种多样的优异功能并在诸多领域有着广泛应用。高分子凝胶在长期使用中会不可避免地受到刮擦、反复变形和应力冲击。由于自身柔软的特性,高分子凝胶材料极易产生疲劳及机械损伤,从而导致其力学性能下降、原有功能丧失、使用寿命缩短。因此,如何提升高分子凝胶材料在长期使用中的可靠性,延长其使用寿命是高分子凝胶材料领域亟需解决的问题。围绕上述问题,本论文基于本组发展的聚合物复合的方法,制备了三种基于聚合物复合物的高分子凝胶材料。通过调节聚合物复合物的组成、可逆作用力及微观结构,赋予功能性复合物凝胶材料优异的力学性能(如高机械强度、弹性及韧性)及修复性能,从而实现复合物凝胶材料功能可靠性和耐久性的显著提升。具体的研究内容和意义如下:1.我们制备了高强度、高弹性、抗冻的可修复聚合物复合物水凝胶并将其用作具有优异传感性能的离子皮肤。通过将Fe3+配位的聚丙烯酸(PAA)水溶液与聚丙烯酰胺(PAAm)水溶液复合所得的水凝胶浸泡于Na Cl水溶液进行处理,制备了PAAm/PAA-Fe3+/Na Cl水凝胶基离子皮肤。Na Cl的引入可以促进聚合物链段聚集形成疏水相区以提高水凝胶的强度和弹性,并且赋予水凝胶较高的离子电导率(0.72 S/m)。氢键、配位键和疏水相互作用力的协同作用赋予了PAAm/PAA-Fe3+/Na Cl水凝胶高的断裂强度(~1.18 MPa)以及优异的恢复性。PAAm/PAA-Fe3+/Na Cl水凝胶作为应变和压缩传感器时拥有宽的检测范围和高的灵敏度,而且传感信号可多次重复。更重要的是,只需要将PAAm/PAA-Fe3+/Na Cl水凝胶基离子皮肤放在湿度环境中就可以修复机械损伤并恢复其传感性能。PAAm/PAA-Fe3+/Na Cl离子皮肤中高浓度的Na Cl可以有效降低水凝胶中水的凝固点至-24.7°C,使其在低温环境中同样具有传感性能,扩大了其使用环境及应用范围。2.我们将接枝香草醛的聚乙烯醇(VPVA)与1-乙基-3-甲基咪唑二腈胺盐离子液体(IL)在溶液中进行复合,制备了高弹性、超耐用的自修复离子导体(VPVA-IL)并对其无害化处理进行了研究。VPVA-IL离子导体的拉伸强度和断裂伸长率分别高达~1.96 MPa及~1253.6%。同时,VPVA-IL离子导体具有超优异的弹性和抗疲劳性。在外力被撤去的瞬间,VPVA-IL离子导体即可从200%的大拉伸应变下恢复到初始状态。由于离子液体的不挥发性、良好的热稳定性以及与VPVA之间的良好相容性,VPVA-IL离子导体在高温真空以及高温高压的条件下可以保持长久的稳定性。基于离子导体的应变传感器对大范围的应变(0.05%~1200%)表现出高度的敏感性。更重要的是,高弹性的VPVA-IL离子导体在超过8000个不间断的100%的大应变周期下表现出了超耐久的传感性能。得益于VPVA-IL网络中可逆的氢键作用,断裂的VPVA-IL离子导体可以在70℃下修复机械损伤,并恢复其原有的可靠耐用的传感性能。离子导体中的离子液体可以通过将离子导体在水中透析的方法进行回收再利用,新制的离子导体仍具有优异的机械性能和电学性质。3.我们将亲水的聚丙烯酸与聚丙烯酰胺的嵌段聚合物(PAA-b-PAAm)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)在水溶液中复合形成均一的复合物溶液,并通过提拉成膜及湿度环境退火的方法制备了具有纳米纤维结构的自修复防雾防霜复合物凝胶膜。PAA-b-PAAm和PDDA的溶液经复合可以在溶液中形成纳米棒结构。通过提拉成膜的方式,复合物溶液中的纳米棒会吸附于基底表面并在膜干燥过程中在基底表面融合形成纳米纤维结构。作为概念验证,我们证明了纳米纤维凝胶膜可修复宽度为数十微米的划痕并且使断裂的纤维重新连接。同时,该纳米纤维凝胶膜具有良好的柔韧性、高透明性及优异的防雾性能。在潮湿环境下,纳米纤维防雾凝胶膜可以自发修复损伤,恢复膜的透明性及防雾功能。