聚电解质凝胶及其制备方法和应用技术

本公开提供了一种聚电解质凝胶及其制备方法和应用，原料包括聚电解质单体和溶剂，所述聚电解质的单体具有亲溶剂的离子基团与疏溶剂且柔性的非离子基团，通过调节溶剂极性与溶剂含量，在远程静电相互作用和短程疏溶剂相互作用的拮抗与平衡下，聚电解质链发生不均匀溶剂化，使所述聚电解质形成串珠结构。所述聚电解质凝胶的制备方法包括将均匀分散的混合原料固化成型得到所述聚电解质凝胶。可将所述聚电解质凝胶应用于软体机器人、生物医药、医疗美容、柔性可穿戴设备和超高分辨率打印中。本公开提供的聚电解质凝胶具有优异的大应变弹性、快修复、离子导电性和生物相容性，具有大于700％的可逆单轴应变和大于3,000％的可逆双轴面应变。双轴面应变。双轴面应变。

【技术实现步骤摘要】
聚电解质凝胶及其制备方法和应用


[0001]本公开属于功能性凝胶
，具体地涉及一种聚电解质凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]凝胶是由交联聚合物网络在溶剂分子中溶胀形成的。凝胶的弹性一般来自于化学交联点之间可逆的聚合物链构象变化。Langevin链统计模型将化学交联点之间的链段看作是长度相等的N个刚性链接，最大单轴拉伸比λ
max
遵循λ
max
～N
1/2
(J.Mech.Phys.Solids41,389
‑
412(1993))，由于凝胶网络的不均匀交联，最大可逆变形通常要低于λ
max
。通常地，受限于凝胶网络中交联点之间的链段数目N，凝胶的弹性应变范围通常不超过7倍。最近，Ito等人开发了一种非固定交联的滑环交联策略，利用链上可滑动的轮烷，拉取原本横向取向的链段得到更多的纵向拉伸增益，从而将单轴弹性变形极限提高到了1,000％范围(Science 372,1078
‑
1081(2021))。然而，双轴弹性变形面临着更大的挑战，因为链段沿着两个方向延伸，共价交联严重限制了双轴拉伸下的变形能力。等双轴拉伸断裂下最大的线应变至少比单轴拉伸下低30％(Trans.Soc.Rheol.15,91
‑
110(1971))，更不要提可逆的双轴面应变。迄今为止，具有大于2,500％的可逆双轴面应变的弹性凝胶仍未报道。
[0003]串珠结构最早是在低浓度疏水聚电解质水溶液中观察到的链构象，如图1所示。在远程静电相互作用和短程疏水相互作用的拮抗与平衡下，聚电解质链发生不均匀溶剂化，含有亲水和疏水基团的聚电解质可以形成串珠结构，高度水合的“弦”连接着水合程度较低的“珠子”，图1中，l0是“弦”的长度，D
b
是“珠子”的直径。珠子的均方旋转半径R
g
遵循R
g
～m
b1/3
，m
b
为珠子内单体数，因此珠子的最大拉伸比λ
max
(将该最大拉伸比定义为完全展开的聚合物链和初始珠子的均方旋转半径R
g
之间的比率)遵循λ
max
～m
b2/3
(Prog.Polym.Sci 30,1049
‑
1118(2005))。因此，在与相同N值下Langevin链统计模型相比，可逆的串珠链构象能表现出更高程度的收缩和更多可释放的熵，从而可以实现更大的弹性变形。然而，目前还未见将串珠结构引入凝胶网络结构的相关技术报道。

技术实现思路

[0004]本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为了克服上面所述的技术问题，本公开提供了一种聚电解质凝胶及其制备方法和应用，并对所述聚电解质凝胶的结构与性能进行了表征。
[0006]为此，本公开提供如下几个方面的技术方案：
[0007]本公开第一方面提供的一种具有超大可逆双轴面应变的超弹性且可快修复的聚电解质凝胶，所述聚电解质凝胶具有串珠结构，包含聚电解质和溶剂，所述聚电解质的单体具有亲溶剂的离子基团与疏溶剂且柔性的非离子基团，通过调节溶剂极性与溶剂含量，在远程静电相互作用和短程疏溶剂相互作用的拮抗与平衡下，聚电解质链发生不均匀溶剂化，使所述聚电解质形成串珠结构，高度溶剂化的“弦”连接着溶剂化程度较低的“珠子”。
[0008]在一些实施例中，形成所述凝胶之前的溶液体系中，聚电解质链发生不均匀溶剂化,聚电解质单体与所述溶剂分子的摩尔比大约在1:2.5
‑
1:12之间，优选的摩尔比在1:3
‑
1:8之间。
[0009]在一些实施例中，所述溶剂具有亲水性，选用水、乙二醇和丙三醇中的任意一种或多种的混合物。
[0010]在一些实施例中，所述聚电解质的单体中，所述亲溶剂的离子基团为易溶于水的离子基团，所述疏溶剂且柔性的非离子基团为聚乙二醇链、碳链或硅氧烷链。
[0011]在一些实施例中，所述聚电解质的结构式为
‑
[CH2CH(COOR)]n
‑
、[CH2C(CH3)(COOR)]n
‑
、
‑
[CH2CH(CONHR)]n
‑
、
‑
[CH2C(CH3)(CONHR)]n
‑
、
‑
[CH2CHR]n
‑
、
‑
[CH2CHR
‑
O]n
‑
、
‑
[CHRCH2‑
O]n
‑
、
‑
[Si(CH3)(R)
‑
O
‑
(B)
b
]n
‑
、
‑
[SiR2‑
O
‑
(B)
b
]n
‑
、
‑
[Si(CH3)(OR)
‑
O
‑
(B)
b
]n
‑
和
‑
[Si(OR)2‑
O
‑
(B)
b
]n
‑
中的任意一种，n为聚合度，n≧2，(B)
b
为
‑
[CH2CH2O]b
‑
，b≥0，R为以下任意一种或多种含离子的有机侧链且要求所选的多种含离子的有机侧链之间不发生聚沉：
[0012]R由聚阳离子链段
‑
(M)
m
‑
A1
+
‑
(L)
l
(CH3)
k
和游离对离子B1
‑
构成,M可为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，L可为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，m、l、k均为重复单元数，1≤m≤5，0≤l≤5,0≤k≤1；A1
+
为有机阳离子，包括季铵盐、季盐、咪唑和吡啶阳离子；B1
‑
为阴离子，包括氟、氯、溴、碘、磷酸根、磺酸根、羧酸根和硫酸根；
[0013]R由聚阴离子链段
‑
(P)
p
‑
B2
‑
‑
(Q)
q
(CH3)
r
和游离对离子为A2
+
构成，P可为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，Q可为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，p、q、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚电解质凝胶，其特征在于，所述聚电解质凝胶的原料包含聚电解质单体和溶剂，所述聚电解质单体具有亲溶剂的离子基团与疏溶剂且柔性的非离子基团，通过调节溶剂极性与溶剂含量，在远程静电相互作用和短程疏溶剂相互作用的拮抗与平衡下，聚电解质链发生不均匀溶剂化，使所述聚电解质形成串珠结构。2.根据权利要求1所述的聚电解质凝胶，其特征在于，所述溶剂具有亲水性，选用水、乙二醇和丙三醇中的任意一种或多种的混合物。3.根据权利要求1所述的聚电解质凝胶，其特征在于，所述聚电解质的单体中，所述亲溶剂的离子基团为易溶于水的离子基团，所述疏溶剂且柔性的非离子基团为聚乙二醇链、碳链或硅氧烷链。4.根据权利要求1所述的聚电解质凝胶，其特征在于，所述聚电解质的结构式为
‑
[CH2CH(COOR)]
n
‑
、[CH2C(CH3)(COOR)]
n
‑
、
‑
[CH2CH(CONHR)]
n
‑
、
‑
[CH2C(CH3)(CONHR)]
n
‑
、
‑
[CH2CHR]
n
‑
、
‑
[CH2CHR
‑
O]
n
‑
、
‑
[CHRCH2‑
O]
n
‑
、
‑
[Si(CH3)(R)
‑
O
‑
(B)
b
]
n
‑
、
‑
[SiR2‑
O
‑
(B)
b
]
n
‑
、
‑
[Si(CH3)(OR)
‑
O
‑
(B)
b
]
n
‑
和
‑
[Si(OR)2‑
O
‑
(B)
b
]
n
‑
中的任意一种，n为聚合度，n≧2，(B)
b
为
‑
[CH2CH2O]
b
‑
，b≥0，R为以下任意一种或多种含离子的有机侧链且要求所选的多种含离子的有机侧链之间不发生聚沉：R由聚阳离子链段
‑
(M)
m
‑
A1
+
‑
(L)
l
(CH3)
k
和游离对离子B1
‑
构成,M可为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，L可为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，m、l、k均为重复单元数，1≤m≤5，0≤l≤5,0≤k≤1；A1
+
为有机阳离子，包括季铵盐、季盐、咪唑和吡啶阳离子；B1
‑
为阴离子，包括氟、氯、溴、碘、磷酸根、磺酸根、羧酸根和硫酸根；R由聚阴离子链段
‑
(P)
p
‑
B2
‑
‑
(Q)
q
(CH3)
r
和游离对离子为A2
+
构成，P可为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，Q可为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，p、q、r均为重复单元数，1≤p≤5，0≤q≤5,0≤r≤1；A2
+
为金属或有机阳离子，包括锂、钠、钾、镁、钙、钡、季铵盐、季盐、咪唑和吡啶阳离子；B2
‑
为阴离子，包括磺酸根、羧酸根、磷酸根和硫酸根；R为聚两性离子链段
‑
(X)
x
‑
A3
+
‑
(Y)
y
‑
B3
‑
‑
(Z)
z
(CH3)
w
或
‑
(X)
x
‑
B3
‑
‑
(Y)
y
‑
A3
+
‑
(Z)
z
(CH3)
w
，X为
‑
CH2‑
或
‑
CH2CH2O
‑
，Y为
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王朝，陈莉莉，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：