[发明专利]一种高分子水凝胶绿色再加工的方法

说明书

本发明涉及一种高分子水凝胶绿色再加工的方法。本发明基于化学燃料驱动高分子材料凝胶到溶胶再到凝胶的转变，从而实现凝胶的再加工，并且在再加工的过程中加入功能性材料，可以赋予凝胶更多功能性的作用。本发明中溶胶和凝胶这两种状态之间的切换使聚合物水凝胶能够重新功能化，从而生成多功能聚合物材料，这些材料可用于柔性电子、耐低温应变传感器、磁性执行器和软机器人领域。本发明的再加工方法是以绿色方式重复改造共价适应性和超分子聚合物网络。

技术领域

本发明属于高分子技术领域，具体涉及一种高分子水凝胶绿色再加工的方法。

背景技术

合成材料的重新设计和再加工对于从废物中生产功能性材料至关重要，这代表了材料生产的可持续方式。通过共价键交联增强聚合物网络可以改善材料的机械性能和耐溶剂性，但同时却大大降低了材料的可回收性。共价键可调节的聚合物网络提供了一种出色的策略来平衡交联强度和高分子材料的可再加工性。然而，目前用于改造共价键适应性聚合物网络的方法通常需要机械研磨、加热、高压、酸和碱处理或者使用有毒的有机溶剂。这种复杂的方法耗能较高而且对环境不利。因此，开发一种方便有效而且绿色的方式重新构建共价适应性聚合物网络并不是简单的。

在自然界中，存在一种特殊的生物，可以轻松实现其身体的“再造”。变形虫，例如变形虫变形杆菌，形成瞬时伪足，用于运动和食物捕获。伪足的形成基本上是由变形虫细胞质中燃料驱动的细胞浆溶胶-凝胶介导的。在非平衡人工系统中化学燃料溶胶-凝胶跃迁已经进行了十年的学术研究，主要用于构筑具有可调寿命和强度的瞬态超分子水凝胶。通过逆向思维，Panja和Adams在2019年创造性地提出了通过动态自组装实现凝胶到凝胶转变的概念(S.Panja,D.J.Adams,Chem.Commun.2019,55,10154-10157.)，使化学助燃的超分子水凝胶更接近实际应用。与化学燃料的超分子系统相比，化学燃料解离动态共价键系统的研究起步较晚，第一个例子由Heinen和Walther在2019年提出(L.Heinen,A.Walther,Sci.Adv.2019,5,eaaw0590)。在他们的工作中，在具有动态共价键的燃料驱动非平衡系统中实现了自适应和可编程的结构动力学，与超分子系统相比，该系统显示出优异的正交可控性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高分子水凝胶绿色再加工的方法，对于共价适应性聚合物网络，动态共价键可以通过消耗化学燃料而被暂时破坏、削弱或激活，存在一个短暂的可工程化状态，从而可以轻松地以绿色方式对其进行再加工。该方法利用化学燃料驱动的瞬态活化和动态共价键或配位键的交换，调和了聚合物水凝胶的动力学稳定性和内在愈合能力之间的深层次矛盾，证明了由动力学控制的反应循环介导的材料的瞬态自我修复能力的重要性和意义。

术语说明：

PVA：聚乙烯醇，

AM：丙烯酰胺，

NPCS：N-棕榈酰壳聚糖，

HHM：2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯乙酮，

MBA：N，N'-亚甲基双丙烯酰胺。

本发明的技术方案如下：

一种高分子水凝胶绿色再加工的方法，包括步骤：

(1)水凝胶的制备：将生物催化物质加入到水凝胶原料中，制备含生物催化物质的水凝胶，所述水凝胶以动态共价键或超分子相互作用聚合而成；

(2)将化学燃料加入到步骤(1)含生物催化物质的水凝胶中，基于生物代谢分解化学燃料，驱动含有动态共价键或超分子相互作用的高分子水凝胶向溶胶转变，在凝胶变成溶胶后加入功能性材料，再向凝胶转变，从而实现水凝胶的再加工，实现高分子水凝胶的功能化。

根据本发明优选的，步骤(1)中所述生物催化物质为微生物或生物酶。