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摘 要

水凝胶是含有水的三维网络结构的聚合物，但因传统的导电水凝胶力学性能较弱，不具备实际应用的工程强度，因此本实验尝试着在常见的导电水凝胶中通过互穿AM-AMPS 共聚物网络来增强水凝胶，并采用分步聚合使其在具备优秀导电能力的同时，还具备一定的机械强度。实验中我们首先采用光引发剂（HPLC）进行光引发具有苯胺单体（ANI）聚丙烯酰胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸单网络水凝胶，再将水凝胶浸泡在过硫酸铵溶液中使其聚合成PANI/P（AMPS-AM）半互穿网络水凝胶。并用红外光谱（FTIR）检测聚苯胺的是否聚合完成，之后进行拉伸试验，拉伸循环试验，交流阻抗测试EIS来测定水凝胶的力学性能与导电性能。

关键词：导电水凝胶 苯胺 力学性能 电学性能

Abstract

Hydrogel is a polymer with a three-dimensional network structure containing water, but the mechanical properties of the traditional conductive hydrogel are weak. So this experiment attempts to introduce high elastic modulus polymer into the common conductive hydrogel, and uses the segmented polymerization to make the polymer possess excellent conductivity with a certain degree of mechanical strength. In the experiment, we firstly polymerized the aniline-containing polyacrylamide / 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS-AM) single network Hydrogel by photoinitiation. The polyaniline / 2-acrylamide-2-methylpropanesulfonic acid / Polyacrylamide Pani / P (AMPS-AM) semi-ipn hydrogels were synthesized by soaking the single-network hydrogels in ammonium persulfate solution. The mechanical properties and electrical conductivity can be measured by FTIR, tensile test, tensile cycle test and EIS.

Key Words: conductive hydrogel;aniline 2-acrylamide-2-methylpropane sulfonic acid; acrylamide;mechanical properties;electrical properties

目 录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1高强度水凝胶 1

1.1.1概述 1

1.2高强度水凝胶种类 1

1.2.1 纳米复合结构水凝胶 2

1.2.2 拓扑结构水凝胶 2

1.2.3 互穿网络结构水凝胶 2

1.3 导电水凝胶概述 3

1.3.1 导电水凝胶的种类与应用 3

1.3.2 导电高分子水凝胶的制备方法 3

1.3.3 导电高分子水凝胶的局限性 4

1.4 本文的研究内容 5

第二章 高强度导电水凝胶的制备与表征 6

2.1 试剂与仪器 6

2.1.1 实验试剂 6

2.1.2 实验仪器 6

2.2 实验部分 7

2.2.1 聚苯胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸/聚丙烯酰水凝胶力学试样的制备 7

2.2.2 聚苯胺/2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸/聚丙烯酰水凝胶电学试样的制备 9

2.3 相关表征与测试手段 9

2.3.1 傅里叶红外光谱测试（FTIR） 9

2.3.2 拉伸强度测试 9

2.3.3 导电性能测试 9

2.3.4拉伸循环测试 10

第三章 结果与讨论 11

3.1红外分析 11

3.2拉伸性能分析 12

3.3拉伸循环测试 13

3.4导电性能分析 14

第四章 总结反思与展望 15

4.1 总结 15

4.2 反思 15

4.3 展望 15

参考文献 16

致谢 19

绪论

1.1高强度水凝胶

1.1.1概述

水凝胶是一种可以吸收和保存大量水的交联网络结构的聚合物。这种聚合物网络通过依靠亲水的侧基，在中性环境下水合，从而产生凝胶结构。“网络”指的是交联后避免了亲水的高分子链或片段溶解进入溶液中。水凝胶也可用一种流体学的方式进行描述，低浓度的亲水性高分子的水溶液，如果没有链段的缠绕，一般来说就会表现出牛顿力学行为^[1]。由于水凝胶的水溶性，它们始终是溶胀的聚合物网络的研究热点。

水凝胶这一概念最早提出是在1894年，由Van Bemmelen所提出^[2]，1936年杜邦公司报道了聚（2-甲基丙烯酸羟乙酯）（PHEMA）水凝胶的合成^[3]。

如今，水凝胶在不同领域都有广泛的应用。其中，导电水凝胶因具有良好的生物适应性、优秀的电性能和可控的力学性能，在界面电化学领域拥有潜在的应用前景。迄今为止，导电水凝胶已被广泛研究，例如，导电聚合物水凝胶已被应用于柔性超级电容器和传感器。但这类水凝胶往往存在弹性较低，力学性能较差，功能性较少等缺点，其主要原因：一是聚合物其聚合度较低，分子间相互作用力低，大分子链与链之间的缠结作用弱，二是在凝胶化过程中形成的水凝胶，其网状结构不均一，对其力学性能造成了影响^[4][5][6]。解决此问题的关键在于通过合理有效的复合方法，在保证水凝胶导电能力的前提下，提高水凝胶机械强度。

1.2高强度水凝胶种类

水凝胶的力学性能较差是一个限制其应用的重要障碍。提高水凝胶的力学强度一直是一个具有重要意义的挑战，多年来围绕改善其较差的力学性能这一问题，研究者通过物理原理和化学合成提出了不同的合成方案，主要包括以下四种类型：纳米结构水凝胶、滑环水凝胶、互穿网络结构水凝胶等。

1.2.1 纳米复合结构水凝胶

利用纳米粒子，例如碳材料（碳纳米管，石墨烯）、蒙脱土和纳米金属粒子等，对水凝胶进行补强制得该水凝胶。Haraguchi等人，在单体聚合前的溶液中，加入锂藻土纳米颗粒，再引发聚合，聚合成了纳米结构水凝胶。在凝胶体系中，纳米粒子成为网络的交联点，链段之间的交联点可以将外界对其的应力分散承受，避免了凝胶网络局部因受到最大承受应力而导致局部损坏。因此，纳米粒子作为交联点对应力分散起到了协同作用，使纳米复合结构水凝胶充分发挥了纳米填充材料与凝胶的各自特点，进而改善了凝胶的力学性能^[7]。

1.2.2 拓扑结构水凝胶

凝胶构建三维网络的基础是要在大分子之间构建足够的交联点，同时这些交联点更是将外界应力分散开的承担者。因此，我们可以通过改善凝胶结构中的交联点来提高凝胶的机械强度。当外界对该种水凝胶施加应力时，水凝胶在构建交联网之间以环环相扣的方式互相穿插，聚合物沿着力的垂直方向滑动，来分散来自外界的应力，防止外界的应力对材料性能产生不可修复的损伤^[8]。例如，Okumura 等人通过将环状结构的 α-环糊精和线性高分子链复合，制备了拓扑结构的聚轮烷凝胶。研究表明，此种水凝胶虽然具有较高的含水率，但却拥有优异的力学性能，其拉伸比可以达二十以上^[9]。

1.2.3 互穿网络结构水凝胶

互穿网络水凝胶是通过将两种柔顺性不同的聚合物利用网络相互嵌套来实现力学性能的提升。这种结构能够提高材料的力学性能是由于聚合物网络在受到外界应力时，通过相互之间有效配合实现应力分散，防止应力集中。其中，在受到应力时，刚性聚合物网络起到传递应力的作用，将应力传递到柔性网络，而较为柔性的高聚物网络通过发生形变，把传递过来的应力吸收掉，起到类似缓冲的作用。Gong等人就利用AMPS先合成PAMPS凝胶网络，然后引入低交联度的PAAm作为第二网络，由此合成了PAMPS和PAAm的互穿的网状结构水凝胶^[10][11]。虽然这种互穿网络各自网络的机械强度均弱，但复合起来后整个互穿网络力学强度突出，网状水凝胶中PAAM网络的弱相互作用力和PAMPS网络的强相互作用力的充分结合，充分发挥了裂纹桥梁增韧和滞后效应的协同作用，这种协同作用使得这种互穿网络结构呈现出较优异的力学性能^[12]。

1.3 导电水凝胶概述

导电水凝胶是同时具备软湿特征和导电性能的功能高分子材料^[13]。网络结构的水凝胶通过提供一个富含水的软湿环境而使导电组分能够借助高聚物分子链上π-π共轭结构或者大分子链上的可电离的离子或金属材料中自由电子实现载流子的自由移动进而赋予凝胶导电性能。

1.3.1 导电水凝胶的种类与应用

复合型导电水凝胶在导电水凝胶中掺杂的导电组分主要包含了金属材料和导电高分子材料（如炭黑），再进行加工制得。2012年Jianming Lin 等将 Cu 金属粉掺杂到了聚丙烯酰胺水凝胶中制备导电水凝胶，其电导率可达1.08mS·cm^-1[15]。此外，金属纳米颗粒也可以作为导电组分掺杂到凝胶材料中^[16]。

相较于金属材料而言，导电高分子材料拥有更为丰富的种类，如炭黑、石墨、以及导电低聚物等^[17]。2011年，Weifeng Zhao 等人先将多羟基半乳葡甘露聚糖与顺丁烯二酸酐反应生成酰基化的半乳葡甘露聚糖，再以甲基丙烯酸缩水甘油酯为交联剂，实现酰基化的半乳葡甘露聚糖的交联，形成半纤维素水凝胶。最后再加入苯胺四聚体制备出半纤维素导电水凝胶^[18]。按导电水凝胶交联方式的不同，导电水凝胶可以分为：物理交联导电水凝胶、化学交联导电水凝胶以及物理、化学双重交联的导电水凝胶。

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