可黏附的自修復導電水凝膠的制備與性能

摘 要： 以丙烯酰胺（AM）、氧化海藻酸鈉（OSA）和聚多巴胺改性聚吡咯（PDA-PPy）為原料，制備了一種兼具黏附性能、自修復性能和導電性能的多功能PAM/OSA/PDA-PPy 水凝膠（簡稱PODY）。采用傅里葉變換紅外光譜、核磁共振氫譜和掃描電子顯微鏡對OSA、PDA-PPy 和PODY 水凝膠進行結構分析，通過萬能電子試驗機、旋轉(zhuǎn)流變儀、四探針測試儀等對其力學性能、黏附性能、自修復性能和導電性能進行表征。結果表明：PODY 水凝膠的斷裂伸長率最高可達928%，拉伸強度最高達194 kPa；對豬皮、玻璃和塑料的最大黏附強度分別為9.0、17.6 kPa 和22.8 kPa ，且經(jīng)過3 次循環(huán)黏附后仍然可以保持較好的黏附強度；PODY 水凝膠可以形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡且自修復性能良好；四探針測試PODY 水凝膠的最大電導率達到0.248 S/m。

關鍵詞： 水凝膠；黏附性；自修復；導電性；丙烯酰胺

中圖分類號： TB34 文獻標志碼： A

水凝膠是一類通過物理或化學交聯(lián)所形成的親水和具有三維網(wǎng)絡結構的功能高分子材料，在軟體機器人[1]、傷口敷料[2] 和健康監(jiān)測[3] 等領域具有廣泛的應用前景。將導電高分子（聚吡咯[4]、聚苯胺[5] 和聚噻吩[6]等）或者導電物質(zhì)（MXene[7]、石墨烯[8] 和碳納米管[9] 等）分散在水凝膠預聚液中[10]，或通過離子導電[11] 的方式可以使水凝膠具有導電性。傳統(tǒng)的導電水凝膠存在力學性能差、與傳感界面接觸不良、使用壽命短和導電性能差等問題，而多功能導電水凝膠可以很好地解決這些問題。在水凝膠網(wǎng)絡構建動態(tài)共價相互作用和非共價相互作用可以使水凝膠獲得自修復性能，動態(tài)共價相互作用包括亞胺鍵[12]、硼酸酯鍵[13]、二硫鍵[14] 和Diels-Alder 反應[15]等；非共價相互作用包括氫鍵[16]、金屬配位[17]、疏水相互作用[18] 和靜電相互作用[19] 等。通常水凝膠會同時結合動態(tài)共價相互作用和非共價相互作用為其自修復提供支撐。Hou 等[20] 研究表明，貽貝可以牢固地黏附在海水下的船體、巖石和漂流瓶等固體表面，與其含有大量鄰苯二酚結構的足蛋白有關。多巴胺（DA） 是一種典型的具有鄰苯二酚結構的物質(zhì)，含多巴胺成分的水凝膠易黏附于各類基材上，具有優(yōu)異的黏接能力，將多巴胺引入凝膠體系是增加水凝膠黏附性的重要途徑[21]。Lei 等[3] 以聚乙烯醇（PVA）和羧甲基殼聚糖（CMC）為骨架結構，引入丙烯酰胺（AAm）和1-乙烯基-3-丁基咪唑溴化（VBIMBr） 共聚物網(wǎng)絡構建半互穿網(wǎng)絡結構，凍融循環(huán)后得到具有高抗拉強度、良好導電性、高透明、防凍和抗菌性能的多功能PVA/CMC/P（AAm-co-VBIMBr） 離子導電水凝膠，可用于構建高性能柔性可穿戴傳感器。Dai 等[22] 以聚苯胺、聚乙烯醇、殼聚糖和植酸為主要原料，制備了具有良好力學性能、導電性能、自修復性能和抗菌性能的多功能水凝膠。Qu 等[23] 通過連續(xù)原位聚合工藝制備了一種超拉伸、堅韌和可黏附的雙層復合水凝膠，并將其用作傳感器。然而，目前有關制備同時具有良好力學性能、黏附性能、自修復性能和導電性能的多功能水凝膠的研究尚鮮見報道。

水凝膠在應用于傳感器領域時會受到外界環(huán)境因素影響而脫落或遭到損壞，導致其耐用性差和使用壽命短，為了解決這個問題，制備具有良好綜合性能的多功能水凝膠至關重要。本文以丙烯酰胺（AM）、氧化海藻酸鈉（OSA）和聚多巴胺改性聚吡咯（PDA-PPy）為原料，通過過硫酸銨（APS）引發(fā)AM 聚合，制備了一種兼具良好力學性能、黏附性能、自修復性能和導電性能的多功能PAM/OSA/PDA-PPy 水凝膠（簡稱PODY）。PDA-PPy 含有大量鄰苯二酚和聚吡咯使水凝膠具有良好的黏附性和導電性。OSA 的醛基與AM 的氨基發(fā)生席夫堿反應生成亞胺鍵；同時，水凝膠內(nèi)部產(chǎn)生了大量的氫鍵，動態(tài)亞胺鍵和氫鍵的存在使PODY 水凝膠具備良好的自修復性能和力學性能，為其在可穿戴傳感領域的應用奠定了良好的基礎。

1 實驗部分

1.1 原料和試劑

AM（分析純，w≥99%）、無水乙醇（分析純，w≥99.7%）、乙二醇（分析純，w≥99.5%）、三氯化鐵六水合物（FeCl3·6H2O，分析純，w≥99%）、過硫酸銨（APS，分析純，w≥98%）、高碘酸鈉（w≥99%）、鹽酸多巴胺（w≥99%）、吡咯（Py，w=99%）、三羥甲基氨基甲烷（w=99%）、N，N-亞甲基雙丙烯酰胺（BIS，w=99.0%）、四甲基乙二胺（TEMED，w=99%）：上海泰坦科技股份有限公司；海藻酸鈉（SA）：化學純，黏度（200±20）mPa·s，上海麥克林生化科技有限公司。

1.2 測試與表征

傅里葉變換紅外光譜儀（FT-IR，賽默飛世爾科技（中國）有限公司Nicolet is50 型）：將SA、OSA、PDAPPy和水凝膠研磨成粉末，采用KBr 壓片法制樣，掃描范圍為4 000～400 cm?1。

核磁共振氫譜儀（1H-NMR，德國 Bruker 公司AVANCE Ⅲ 400 型）：將OSA 溶于重水（D2O）后進行測試。

激光粒度光散射分析儀（德國ALV 公司ALV/CGS-5022F 型）：將PDA-PPy 超聲分散于去離子水后測試。