超分子聚合物水凝胶在柔性传感、可穿戴电子、人造皮肤等领域有着广泛的应用。然而，目前大多数超分子聚合物水凝胶由于其较差的机械性能和化学稳定性而无法满足极端环境下苛刻的使用要求。因此，构筑能用于多种极端工况下的高强度水凝胶在推进超分子水凝胶发展上具有重要意义。
黄渤海实验室精密制造材料与技术团队在前期针对水凝胶结构设计和先进制造的研究基础上（Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2210395; Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2108845; Small 2023, 2206819; Chem Eng J. 2023, 457, 141268），近期以制备具有优异耐候性的超强水凝胶为目标，通过碱诱导去质子化和离子簇的解离与重铸，结合冻融循环制备了具有致密超分子聚合物网络的聚乙烯醇（PVA）水凝胶。该方法制备的PVA水凝胶具有高强度（9.64±0.5MPa）、可压缩性（负载物体超过其重量的约10000倍）、可回收性、耐多种溶剂性、抗冻性（即使在-40°C下也保持柔性和导电性）及诸多优异性能。
图1 PVA水凝胶的制备流程图及流变学曲线
通过改变水凝胶中离子液体的含量可以控制体系中离子簇、络合物的密度以及PVA分子链的结晶度。超分子聚合物网络在受外应力时可以首先耗散掉形变过程中产生的能量，其次体系内部的分散的纤维素纳米纤维对体系也具有增强作用。这使得该工作得到的PVA水凝胶表现出更高的极限应力和更好的可压缩性，远超先前报道的PVA水凝胶和超分子聚合物的力学性能。
图2 PVA水凝胶的力学强度示意图
根据以往研究，耐酸碱的水凝胶鲜有报道，尤其是在pH=1或pH=13的强酸/碱环境中。本工作中所得的PVA水凝胶在强酸/碱环境中浸泡12h后仍能维持浸泡前的力学强度，这处于水凝胶化学稳定性研究的前沿。此外，抗冻和水煮实验证明该PVA水凝胶的有效工作温域为-50℃-50℃之间，超过一般文献报导值。
图3 PVA水凝胶在各种极端工况下的稳定性比较
上述研究成果以“Ion Clusters-Driven Strong and Acid/Alkali/ Freezing-Tolerant Conductive Hydrogels for Flexible Sensors in Extreme Environments”为题发表在Adv. Funct. Mater.上。烟台先进材料与绿色制造山东省实验室为本论文第一单位，实验室吕阳博士为论文第一作者，王晓龙研究员、姬忠莹助理研究员为论文通讯作者。
以上工作得到“泰山学者特聘专家”项目、国家重点研发计划、山东省自然科学基金等项目的支持。
供 稿 / 姬忠莹
编 辑 / 黄秋平
审 核 / 王晓龙 邹 强
