山东大学学报（理学版）2025年10月第60卷第10期刊载的研究报告：低分子量超分子－聚合物双网络低共熔凝胶的构建、机理及应变传感应用

作者及机构
本研究由烟台大学化学化工学院的杨俊康（第一作者，硕士研究生）、王龙飞、宋梓玉、张涛及通信作者武文娜（讲师，硕士生导师）合作完成，发表于《山东大学学报（理学版）》2025年10月刊。研究得到国家自然科学基金青年项目（22302167）、山东省自然科学基金青年项目（ZR2023QB166）及山东省青年科技人才托举工程（SDAST2024QTA065）的资助。

学术背景
本研究属于胶体与界面化学领域，聚焦于柔性电子器件中的离子导电材料开发。传统水凝胶对温度敏感且机械性能有限，而离子液体凝胶成本高昂。低共熔凝胶（Eutectogels）作为一种新型软材料，以低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvent, DES）为分散介质，兼具高导电性、热稳定性和低成本优势，但现有聚合物交联或小分子凝胶剂制备的低共熔凝胶存在拉伸性差和电导率低的问题。本研究旨在通过构建超分子－聚合物双网络（SP-DN）结构，协同提升凝胶的机械性能与导电性，为可穿戴应变传感器提供新材料。

研究流程与方法
1. DES制备与超分子网络构建
- DES合成：以氯化胆碱（ChCl）与尿素（摩尔比1:2）在85℃加热搅拌40分钟，形成无色透明液体。
- 超分子网络：以牛磺脱氧胆酸钠（NaTDC）为胶凝剂，在DES中自组装形成物理交联网络。测试了不同浓度（100–500 mmol/L）NaTDC的凝胶行为，通过倒置法、流变学测试（频率扫描、应力扫描）及微观形貌表征（SEM、TEM）确认网络形成机制。

1. 双网络凝胶构建

   • 聚合网络引入：在NaTDC-DES超分子网络中，加入丙烯酸羟乙酯（HEA）单体和光引发剂2-羟基-2-甲基苯丙酮，紫外光引发聚合5分钟，形成共价聚合物网络（HEA）与超分子网络（NaTDC）互穿的双网络结构。
     
   • 参数优化：通过调控HEA添加量（0.1–0.9 mL）、NaTDC浓度（100–500 mmol/L）和聚合时间，优化凝胶的机械性能。
     

2. 性能表征

   • 力学测试：拉伸与压缩试验（UTM4103X电子拉伸机）评估断裂伸长率（最高650%）和压缩应力（5–13 MPa）。
     
   • 电化学性能：通过电化学阻抗谱（CH1660E工作站）测定变温电导率（60–100℃），计算应变传感灵敏度（Gauge Factor, GF=0.01）。
     

3. 应变传感应用验证

   • 将凝胶连接铜导线制成传感器，测试其在0.5%–90%应变范围内的电阻响应，验证其高灵敏度和稳定性。
     

主要结果
1. 超分子网络特性
- NaTDC浓度≥200 mmol/L时形成稳定凝胶，浓度升高导致微观结构从松散纤维（300 mmol/L）变为致密三维网络（500 mmol/L）。XRD显示分子层间距d=0.9 nm（双层结构），FT-IR证实氢键主导自组装。

1. 双网络协同效应

   • HEA添加量为0.5 mL时，凝胶兼具高拉伸性（断裂伸长率650%）和强度（0.37 MPa）。超分子网络作为“牺牲键”耗能，聚合物网络维持结构完整性。
     

2. 导电与传感性能

   • 电导率随温度升高（60–100℃）而增加，归因于DES离子解离与迁移加速。应变传感器在低应变区（0.5%–10%）和高应变区（10%–90%）的GF分别为0.008和0.01，灵敏度优于传统材料。
     

结论与价值
1. 科学价值
- 提出SP-DN策略，首次将低分子量超分子网络（NaTDC）与聚合物网络（HEA）结合，揭示了双网络能量耗散机制对力学性能的增强作用。

1. 应用前景
   
   • 该凝胶在宽温域内保持高电导率和应变敏感性，适用于可穿戴电子皮肤、软体机器人等柔性器件，为新型离子导体的设计提供范式。
     

研究亮点
1. 方法创新：通过紫外光聚合实现超分子与聚合物网络的同步构建，工艺简单高效。
2. 性能突破：双网络协同作用使凝胶同时具备高拉伸性（650%）、自修复性和宽温域稳定性。
3. 跨学科意义：融合胶体化学、材料科学与电子工程，推动柔性电子材料的多元化发展。

其他价值
- 凝胶的粘附性测试显示其对玻璃基底的粘附强度达0.9 MPa，扩展了其在异质界面集成中的应用潜力。