结构色水凝胶与粘性水凝胶的制备与应用研究

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水凝胶作为一种刺激-响应性智能软物质材料,在组织工程和驱动器等领域具有巨大的应用前景。但在实际应用中需要水凝胶多种功能性的结合,而通常情况下水凝胶往往只具有单一功能,难以满足实际应用的需求。因此,本工作的主要思路是将温敏性、粘性以及自修复等功能引入水凝胶中赋予水凝胶多功能性。我们首先在结构色水凝胶中引入温敏性组分,通过调节第二重网络的交联密度,制备出具有一过性变色行为的温度与力学双重响应性的结构色水凝胶;其次,以物理交联粘性水凝胶为电解质、多壁碳纳米管(MWCNT)为电极制备出具有自修复特性的水凝胶超级电容器;最后,将粘性组分引入到形状记忆水凝胶中,制备了可通过粘性自动捕获物体的形状记忆驱动器。本工作的主要内容和结果如下:1.将聚十二烷基衣康酸甘油酯/聚丙烯酰胺(PDGI/PAAm)水凝胶与聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAm)温敏性组分结合,通过调节第二重温敏性网络的交联密度,可以得到具有不同温敏特性的PDGI/PAAm-PNIPAm双网络水凝胶,开发了具有一过性变色行为的结构色水凝胶,并利用变温紫外-可见光光谱讨论了凝胶在升温过程中透明度转变情况。这种将力学变色与温度变色相结合的结构色水凝胶在一过性阅后即焚信息加密材料中有潜在应用前景。2.利用人造水辉石物理交联N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA),并加入氯化锂(Li Cl)和粘性组分α-环糊精,得到自修复导电粘性水凝胶。以这种水凝胶作为电解质、以MWCNT为电极制备出PDMAA/Li Cl水凝胶超级电容器,并对其电化学性能进行了测试。由测试结果可知,该水凝胶超级电容器表现出很好的倍率性能(电流密度增大5倍,比电容可保持68.5%)、高的库仑效率(40 A?g-1下达到95.5%)、强的自修复特性(自修复前后电化学阻抗曲线几乎重合)以及优异的循环稳定性(循环10000圈后仍保持95.5%的容量),体现了该器件优异的超级电容特性。3.将PAAm化学交联作为永久网络、甲基纤维素(MC)作为可逆网络,α-CD作为粘性因子赋予水凝胶粘性,利用MC溶液的温度响应性,得到可调控的温度响应型粘性形状记忆水凝胶。此外,引入氧化石墨烯(GO)作为高效光热转换剂,使其由温度响应转化为非接触式控制的近红外光(NIR)激光响应。通过调节永久网络与可逆网络的组分含量使其形状记忆性能达到最优,AAm质量分数为15 w/v%时,定形率达到91.7%,α-CD质量分数为8 w/v%时,其粘接强度达到13 k Pa。利用该凝胶制备的驱动器可以在高温时保持临时形状,但无粘性;低温时形状回复,粘性也恢复,驱动器可以借机捕获目标物体,然后通过NIR激光照射将物体释放。形状记忆与粘性的结合在软物质驱动器的设计方面提供了一种新的思路。
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