具有导电性能的水凝胶

凝胶是一种独特的分散体系，最初用来描述在高分子形成的三维网络结构中吸收液体的材料。当溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子以一定条件相互连接时，形成了一个空间网状结构，这个结构中的空隙充满了作为分散介质的液体，这就是凝胶的形成过程。一个常见的例子是魔芋，它就是一种凝胶，而我们小时候喜欢吃的果冻也是一种凝胶。

凝胶具有液体和固体的双重性质，因此在各个领域都有广泛的应用。本文的目的是介绍导电型凝胶。导电型凝胶大致可以分为三类：离子负载凝胶、导电型高分子凝胶和超分子导电型凝胶。下方将详细介绍这三种导电型凝胶。

导电型凝胶的种类

凝胶可以分为化学凝胶和物理凝胶两种类型。化学凝胶是指由通过共价键相互连接形成的高分子构成的凝胶，而物理凝胶是指通过非共价键相互作用连接在一起的凝胶。由于化学凝胶中的共价键能够形成稳定的交叉链接，因此化学凝胶通常具有硬和脆性的特点，并且其形成过程是不可逆的。相反，物理凝胶中非共价键形成的交叉链接很容易被打破，因此溶胶和胶之间的相变是可逆的（如图a所示）。本文后续将介绍的超分子导电凝胶属于物理凝胶的一种类型。

（a）

导电型凝胶具有以下三个特征：

1.离子和小分子能够轻松地扩散到高分子网络凝胶的空腔中。

2.高分子网络凝胶可以吸收（溶胀）溶剂，因此在高分子链和溶液之间会发生显著的相互作用。

3.导电凝胶既能保持稳定的固态形状，又具有流动性类似液体。

综上，它可以作为柔软、可拉伸的导电材料应用于电极、传感器和执行器等设备。可分为3类（b）：

（1）离子负载凝胶：离子负载凝胶是一种分子三维网络结构中充满离子的凝胶。这些离子就像溶剂一样填充了高分子网络的空隙，并且可以在其中自由移动。这种离子的运动使得凝胶具有导电性质。

（2）导电型高分子凝胶：导电型高分子凝胶是由于π共轭高分子自身的电子移动而具有导电性的凝胶。这些高分子具有特殊的电子结构，使得电子能够在分子内部移动，从而导致凝胶具备导电性。

（3）超分子导电型凝胶：超分子导电型凝胶是由小分子通过非共价键相互作用而形成的凝胶。些非共价键的相互作用使得小分子之间形成了缠绕的结构，而这些小分子中存在大量的共轭π电子，从而导致凝胶具备导电性。

(b)

①

离子负载凝胶

离子负载凝胶是指含有大量金属离子、氢离子或离子液体的凝胶。其中，与金属离子和氢离子相溶性良好的高分子材料包括聚丙烯酰胺类聚合物和聚甲基丙烯酸酯类聚合物。而与离子液体相溶性良好的高分子代表性材料则是聚（偏二氟乙烯-六氟丙烯）共聚物[P（VDF-HFP）]。离子液体的一个典型例子是1-乙基-3-甲基咪唑鎓（1-ethyl-3-methylimidazolium，简称EMIM）(c)。

(c)

离子负载凝胶膜具有多种优点，包括机械柔韧性、大表面积、化学稳定性、高透明度和适度的离子传导性。因此，它们被广泛应用于燃料电池、锂离子电池和执行器等领域的制造中。

然而，离子负载凝胶的制备过程相对复杂，需要嵌段共聚物和离子液体的相互作用。这使得合成步骤相对繁琐。

此外，离子负载凝胶的导电率并不高。如果需要高导电率，如金属所具有的那种水平，离子负载凝胶可能并不是最佳选择。

②

导电型高分子凝胶

导电型高分子凝胶有聚噻吩（PTh型）、聚苯胺(PANI)型、聚吡咯（PPy）型等，多为具有π共轭体系的高分子链（d）

导电型高分子凝胶是一种具有优异导电性、自我修复性和物相容性的凝胶材料。其中，以苯胺四聚体（CS-AT）和以二苯甲醛为末端的聚乙二醇（PEG-DA）合成的凝胶是一种代表性的导电型高分子凝胶（e）。这种凝胶具有出色的导电性能，并且能够自我修复，使细胞能够在注射后恢复到注射前的状态。由于其良好的生物相容性，注射进凝胶中的细胞具有较高的存活率。

此外，该导电型高分子凝胶具有与心脏组织相当的导电性能，此可以用作心脏再生的细胞载体。通过将目标细胞注到这种凝胶中，可以满足心肌梗塞治疗中对心肌细胞的需求，从而实现心脏组织的再生。

(e)

③

超分子导电型凝胶

超分子导电型凝胶是一种具有优秀外部刺激响应性的材料，可应用于电压等电致发光（EL）、传感器和光电器件等领域。然而，与其他导电型凝胶相比，超分子导电型凝胶存在导电性较差和机械强度低等缺点。为了克服这些问题，通常需要将超分子导电型凝胶与其他高分子材料或碳纳米材料进行组合使用。通过与其他材料的合用，可以提高导电性能和机械强度，进一步拓展超分子导电型凝胶的应用领域。

参考文献

[1]Chakraborty, P.; Das, S.; Nandi, A. K. “Conducting gels: A chronicle of technological advances” Progress in Polymer Science2019, 88, 189.

来源：高分子物理学