水凝膠是具有高含水量的聚合物網(wǎng)絡(luò)，其因出色的組合特性被廣泛應(yīng)用于可穿戴離子/電子設(shè)備、軟機(jī)器人、組織工程、藥物輸送、光纖和3D打印材料等。水凝膠的壽命和耐用性取決于其在可變機(jī)械載荷下的抗斷裂能力。然而，由純化學(xué)或物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的傳統(tǒng)水凝膠在可變機(jī)械載荷下容易斷裂。因此，具有強(qiáng)大機(jī)械強(qiáng)度、優(yōu)異變形性、抗溶脹性能和自愈性能的水凝膠網(wǎng)絡(luò)是理想選擇，它們能夠在應(yīng)用過(guò)程中耗散能量并保持結(jié)構(gòu)完整性。
圖1強(qiáng)酸實(shí)現(xiàn)丙烯酸鈉凝膠網(wǎng)格綜合性能提升
近日，我院譚帥副教授開(kāi)發(fā)了一種強(qiáng)酸耦合機(jī)械訓(xùn)練實(shí)現(xiàn)聚丙烯酸鈉水凝膠綜合性能強(qiáng)化的新策略。通過(guò)將聚丙烯酸鈉水凝膠浸入4 M H2SO4溶液中，強(qiáng)酸溶液耦合機(jī)械訓(xùn)練會(huì)促使聚丙烯酸鈉網(wǎng)絡(luò)逐漸轉(zhuǎn)化為聚丙烯酸網(wǎng)絡(luò)，從而形成豐富的動(dòng)態(tài)氫鍵相互作用。氫鍵作用賦予了酸浸泡的聚丙烯酸鈉水凝膠出色的抗溶脹和自愈性能，并顯著提升了其機(jī)械性能。相關(guān)工作以“Strong Acid Enabled Comprehensive Training of Poly (Sodium Acrylate) Hydrogel Networks”發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》。
圖2基于強(qiáng)酸強(qiáng)化丙烯酸鈉凝膠網(wǎng)格的效果
圖3基于強(qiáng)酸浸泡強(qiáng)化丙烯酸鈉凝膠機(jī)械性能
通過(guò)將丙烯酸鈉水凝膠網(wǎng)格浸入4M濃硫酸，在丙烯酸鈉聚合物網(wǎng)絡(luò)表面構(gòu)建致密的氫鍵，實(shí)現(xiàn)凝膠力學(xué)性能的強(qiáng)化，同時(shí)賦予凝膠網(wǎng)格抗溶脹性能和自修復(fù)性能。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)循環(huán)載荷實(shí)現(xiàn)丙烯酸鈉強(qiáng)酸水凝膠的力學(xué)性能強(qiáng)化。經(jīng)過(guò)循環(huán)機(jī)械拉伸/釋放訓(xùn)練后，含酸水凝膠由外到內(nèi)逐步實(shí)現(xiàn)了聚丙烯酸鈉網(wǎng)絡(luò)到聚丙烯酸網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)變。酸輔助機(jī)械訓(xùn)練進(jìn)一步改善水凝膠機(jī)械性能，經(jīng)過(guò)完全訓(xùn)練的水凝膠，其楊氏模量、斷裂應(yīng)力和斷裂韌性較初始的聚丙烯酸鈉水凝膠分別提高了187.6倍、35.6倍和5.4倍。此外，水凝膠的酸輔助訓(xùn)練策略可以通過(guò)NaOH中和可逆地回收，并且該方法在聚丙烯酸鈉水凝膠網(wǎng)絡(luò)中具有普適性。
圖4基于循環(huán)機(jī)械訓(xùn)練進(jìn)一步強(qiáng)化丙烯酸鈉凝膠機(jī)械性能
總結(jié)：該研究為聚丙烯酸鈉水凝膠的改性提升提供了一種新的思路和方法，加深了對(duì)水凝膠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的理解，為水凝膠在柔性電子器件、軟體機(jī)器人、組織工程等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的方法。本研究項(xiàng)目得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22178235，21805199），四川省自然科學(xué)基金和四川大學(xué)青年科級(jí)領(lǐng)軍人才培育項(xiàng)目和“化工之星”人才項(xiàng)目的支持。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202406407
譚帥撰稿
鈕大文審核
高敏編輯
2024年6月19日
