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東華大學武培怡/孫勝童團隊 Angew：熵驅動水凝膠熱致硬化13000倍

2022-07-14 來源：高分子科技

自然界柔軟的生物材料如肌肉、象鼻等可迅速自主硬化以執行運動或物體搬運等復雜動作。然而，人工合成水凝膠材料在刺激作用下快速硬化仍是極為困難的。特別是，組成水凝膠的絕大多數非共價相互作用如氫鍵、偶極-偶極、主客體相互作用等均受焓所驅動，升溫往往導致材料軟化，在高溫下力學性能進一步惡化，難以耐受沖擊或支撐重物。盡管目前已有熱致硬化水凝膠的相關報道，但如何實現此類水凝膠大范圍軟硬模量切換以及在高溫硬化狀態下保持高力學強度仍極具挑戰性。

東華大學武培怡/孫勝童團隊長期致力于仿生礦物水凝膠材料的研究，開發了基于碳酸鈣納米簇（<3 nm）與聚丙烯酸物理復合的礦物水凝膠，兼有可拉伸、自修復和任意塑形特性，干燥后形成堅硬的塑料并可反復加工（Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 11765）。經海藻酸鈉黏彈改性后，這一水凝膠可被用于制備高力學適應性離子皮膚（Adv. Mater. 2017, 29, 1700321）。作為塑性水凝膠基體，可通過“揉面”加工復合多種功能填料實現多性能集成（Adv. Sci. 2022, 9, 2200108）。此外，該水凝膠在電解液中具有優異的粘合性和高力學強度，還可用于改善硅負極鋰離子電池的循環穩定性（Nano Res. 2019, 12, 1121）。

近日，該研究團隊發現，聚丙烯酸-礦物納米簇可逆物理吸附為典型的熵驅動相互作用，使得水凝膠表現出強烈的熱致硬化行為，升溫誘導儲能模量迅速提升破紀錄的13000倍，覆蓋了1.3 kPa至17 MPa的超寬模量范圍。將這一熱致硬化水凝膠與彈性水凝膠和氟橡膠復合進一步制備了可拉伸芯鞘纖維和智能導電織物，在低電壓（3V）作用下，可實現織物快速軟硬模量切換，并兼具摩擦電感知功能。

圖1. 熵驅動熱致硬化水凝膠及智能導電水凝膠織物。

溫度相關流變及反向時溫疊加曲線表明，水凝膠在低溫下呈現柔軟粘流態，而高溫下轉變為硬化玻璃態，升溫導致聚合物鏈松弛變慢，體現出典型的熵驅動行為。微觀結構解析顯示，升溫使得水凝膠由初始液-液相分離向固-液相分離轉化，凝膠網絡微相脫水并迅速致密化，但總體積保持不變。二維相關紅外光譜分析進一步證實，這一熵驅動硬化過程在分子水平上是由逐漸增強的聚合物-納米簇相互作用所誘導的。

圖2. 熱致硬化水凝膠的硬化機理解析。

為進一步開發這一熱致硬化水凝膠的應用潛力，他們將該水凝膠以粉末加工的方式與彈性聚丙烯酰胺水凝膠復合制備了兼有高拉伸、高回彈且可熱致硬化的水凝膠芯鞘纖維。氟橡膠鞘層良好的保水性能，大大提高了水凝膠纖維的使用壽命。往水凝膠中引入少量金納米棒，還可賦予纖維遠程定點光熱硬化的能力。

圖3. 熱致硬化水凝膠芯鞘纖維。

水凝膠芯鞘纖維具有優異的可編織能力，與液態金屬芯鞘纖維混編，可通過電加熱自如控制織物的硬化行為。這一智能織物在室溫下柔軟并富有彈性，施加很小的直流電壓（3 V）即可將預設形狀的織物切換至硬化狀態，彎曲模量從1.3 MPa迅速提升至29.2 MPa。除此之外，該智能織物還可用于摩擦電自供電感知，可實時傳輸按壓、拉伸、抓握、呼吸、溫度等多種刺激相關的電學信號。

圖4. 熱致硬化智能導電織物。

以上研究成果近期以“Entropy-Mediated Polymer-Cluster Interactions Enable Dramatic Thermal Stiffening Hydrogels for Mechanoadaptive Smart Fabrics”為題，發表在《Angewandte Chemie International Edition》（Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202204960）上。東華大學化學與化工學院碩士研究生吳佳為文章第一作者，武培怡教授和孫勝童研究員為論文共同通訊作者。

該研究工作得到了國家自然科學基金重大項目、重點項目、上海市青年科技啟明星等項目的資助與支持。德國于利希中子散射中心（JCNS）吳寶虎博士和東華大學紡織科技創新中心熊佳慶研究員也參與了該研究。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202204960

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（責任編輯：xu）

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