离子导电水凝胶凭借其三维网络结构而具有优异的导电性与柔韧性，被广泛用于可穿戴电子设备等领域。丙烯酰胺基水凝胶因性能可调而常作为离子导电水凝胶的基质。然而，传统水凝胶通常功能单一且环境适应性差，这限制了其实际应用。因此，开发集机械强度优异、自粘附性能良好、传感灵敏及环境耐受性强于一体的新型导电水凝胶之于拓展其应用范围至关重要。
离子液体(ILs)是由有机阳离子与无机/有机阴离子构成的熔融盐，具有低挥发性、高热稳定性、高离子电导率及宽电化学窗口等特性。其与水分子间的强相互作用可抑制水聚集与冰晶形成，显著提升材料的抗冻性能。甘油作为共溶剂，可通过形成氢键增强保湿与抗冻效果，同时作为离子液体的增塑剂降低体系粘度，进一步提高离子电导率。
卤代金属酸盐离子液体是一类功能性离子液体，其阴离子由金属与卤素离子配位构成，兼具离子液体与金属离子的独特属性，可通过一系列可逆键合机制与聚合物链发生相互作用。此外，氢键、静电作用等方式灵活调控水凝胶的机械性能、导电性与环境适应性。这类材料为设计具备多重功能、适应苛刻环境的高性能水凝胶提供了重要途径。
基于此，南京林业大学的王芳团队研究开发了一种基于新型三元卤代金属酸盐离子液体([BMIM][ZnxCly])的功能性复合水凝胶。所得水凝胶展现出优异的机械性能、导电性、自粘附、自修复及抗冻保湿能力。
图1. 水凝胶形成机制示意图（图片来源：Chem. Eng. J.）
首先，研究者使用BMIMCl与ZnCl2反应得到[BMIM][ZnxCly]。随后加入甘油，构建[BMIM]+[ZnxCly]−-Gly (IZG)杂化液体，该体系通过金属配位阴离子、咪唑阳离子与甘油的分子内/间相互作用自组装为超分子结构。将此超分子液体引入P(AM-co-HEMA)水凝胶中以提升性能，并通过羧甲基纤维素(CMC)构建互穿聚合物网络进一步增强结构。同时，木质素纳米粒子与Zn2+及过硫酸铵发生动态氧化还原反应，产生大量半醌与羟基自由基，显著加速水凝胶形成并缩短凝胶时间。所得复合水凝胶命名为P-IZG/CMC，其形成机理如图1所示。图2a展示了水凝胶的制备过程。
图2. P-IZG/CMC水凝胶的制备过程及相关表征（图片来源：Chem. Eng. J.）
接着，通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、能量色散(EDS)光谱及紫外-可见光谱(UV-Vis)等多种手段，系统地表征了P-IZG/CMC的化学结构、微观形貌及功能特性。光谱分析证实，离子液体、甘油与金属离子成功构建了基于氢键与配位作用的超分子网络，并且该网络与水凝胶聚合物基质之间存在显著的分子间相互作用。UV-Vis光谱表明，仅添加1wt%的木质素纳米粒子即可使水凝胶在190-380 nm紫外波段达到近乎完全的屏蔽效果，这归因于木质素结构中丰富的芳香结构等对紫外能量的高效吸收。
图3. P-IZG/CMC水凝胶的机械性能（图片来源：Chem. Eng. J.）
随后，系统考察了CMC含量与ZnCl2浓度对P-IZG/CMC水凝胶力学性能的影响。结果表明，CMC最佳添加量为1wt%，过量会导致凝胶不均并降低强度，其增强机制主要源于互穿网络的形成及氢键/金属配位键的增强。ZnCl2溶液的最佳浓度为5%，此时拉伸性能最优，电导率达1.56 S/m，源于适度的Zn2+配位提高了交联密度，但浓度过高会限制分子链运动而损害性能。循环拉伸压缩测试表明，该水凝胶具有优异的抗疲劳性与压缩回弹性。
图4. P-IZG/CMC水凝胶的粘合性和自愈特性（图片来源：Chem. Eng. J.）
最后，研究者系统评估了P-IZG/CMC水凝胶的粘附与自修复性能。粘附测试显示，其对木材、铝、PMMA、铁及猪皮等多种基材均具有强粘附力（最高达462.3 kPa），这主要得益于共聚物链与基材表面间形成的氢键和金属-配体键。水凝胶能在人体皮肤上安全、可重复地粘附与剥离，并成功演示了封堵气球破孔的即时密封能力，体现了其良好的实用性。同时，水凝胶展现出优异的自修复能力，切断的样本在室温下重新接触后能自主愈合，36小时后拉伸强度恢复率超过95%。这些性能使其在需要可靠贴合与长期耐用性的柔性电子器件中具有重要应用潜力。
总之，该研究通过木质素纳米粒子与Zn2+的氧化还原反应，成功制备了一种集成超分子离子液体的P(AM-co-HEMA)/CMC互穿网络水凝胶。基于其制备的柔性传感器能在宽温域工作，精准监测人体活动与识别笔迹，该研究为水凝胶器件在健康监测、人机交互及信息传感等领域的应用开辟了新途径。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725065374
原文作者：
Wen Li, Fang Wang, Jiaqi Liu, Jiajun Wang, and Lingqi Deng
DOI: 10.1016/j.cej.2025.165699
