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      北工大趙治、宋曉艷教授團隊《Adv. Sci.》:具有多級耦合能量耗散網絡的超強韌水凝膠
      2023-07-31  來源:高分子科技

        水凝膠具有優異的化學特性,廣泛應用于先進功能材料與智能材料領域。然而,水凝膠自身的勻質結構與高含水量使其在力學性能方面存在天然缺陷,極大限制了其服役表現與應用場景,F有水凝膠強韌化技術在制備成本、適用范圍等方面存在諸多局限。特別地,這些方法均依賴隨機試錯模式,無法準確預判調控產物性質。探索發展規律性更高、適用性更強的超強韌水凝膠按需開發新范式是當下亟需解決的前沿課題。


      1 具有多級耦合能量耗散網絡的超強韌水凝膠


        近期,北京工業大學材料與制造學部趙治、宋曉艷教授團隊過控制高分子自發逐級組裝構建了可協同耗散能量與動態恢復的多級網絡,成功開發出一種基于序構模式的新型超強韌水凝膠制備體系(圖1)。在成膠過程中,體系中的高分子鏈通過非共價相互作用進行4步自組裝,使得各級功能基元間緊密耦合,相互加強,大大提升了凝膠的強度與韌性。制備該類凝膠體系的關鍵是選擇具有適當化學結構的氫鍵給體與受體。研究表明,合適的氫鍵給體應為丙烯酸及其衍生物,同時其上的取代基團應與羧基連接于同一個碳原子上。氫鍵受體應具有1,2-二胺型結構單元,反式二胺比順式二胺具有更高的反應速率(圖2)。 


      2 適于(綠色)和不適于(紅色)構建超強韌凝膠的代表性反應物結構


        按上述方法構建的凝膠其反應物結構與產物宏觀機械性能間具有明顯的對應關系。因此,可通過合理設計反應體系實現超強韌凝膠的性能預測與按需制備。例如,當氫鍵給體與受體上取代基疏水性匹配時,產物具有較高強度;當二者不匹配時,產物具有較高彈性;同時引入親水與疏水結構單元則可兼顧強度與韌性。在取代基類型固定的情況下,增加1,2-二胺型結構單元的重復數目可同步提升產物強度與韌性;谏鲜鰳嬓шP系,本研究制備了系列超強韌水凝膠,并在極大范圍內實現了產物性能的按需調控,所得產物的最高抗拉強度、斷裂伸長率與強度分別可達19.6 MPa、20000%135.7 MJ/cm3。同時,多級能量耗散網絡內部非共價作用力的可逆性和分子鏈間耦合的緊密性還使得產物具有良好的自修復性能與抗溶脹性能(圖3)。以上工作為超強韌水凝膠的高效制備與持續進化提供了一種嶄新思路。


      3 基于多級耦合能量耗散網絡的超強韌水凝膠性能展示


        該工作以“Ultra-tough self-healing hydrogel via hierarchical energy associative dissipation”為題發表在《Advanced Science》上(Adv. Sci., DOI: 10.1002/advs.202303315)。文章第一兼通訊作者是北京工業大學趙治教授,共同通訊作者是北京工業大學宋曉艷教授。該研究得到國家自然科學基金的支持。


        原文鏈接:https://doi.org/10.1002/advs.202303315

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