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川師大趙麗娟教授、王義副教授 Mater. Horiz.:通過協(xié)同氫鍵和偶極-偶極交聯(lián)構(gòu)建超高拉伸、自恢復(fù)、自愈合且粘附性水凝膠
2025-01-10  來源:高分子科技

  水凝膠因其在可穿戴電子設(shè)備、人造皮膚及生物醫(yī)學(xué)工程等新興領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景備受關(guān)注。然而,水凝膠有限的拉伸性、自恢復(fù)性和抗裂性,嚴(yán)重制約了其在苛刻環(huán)境中的實際應(yīng)用。盡管采用膠束交聯(lián)、納米填料以及動態(tài)相互作用等方法在性能提升方面取得了一定進(jìn)展,但如何制備同時具備高拉伸性、自愈性和強(qiáng)粘附性的水凝膠仍然是一個挑戰(zhàn)。


  近期,四川師范大學(xué)趙麗娟教授、王義副教授團(tuán)隊Materials Horizons上發(fā)表了題為“Ultra-stretchable, self-recoverable, notch-insensitive, self-healable and adhesive hydrogel enabled by synergetic hydrogen and dipole–dipole crosslinking”的研究論文。研究提出了一種基于丙烯酰胺(AM)、馬來酸(MA)和丙烯腈(AN)的AMA水凝膠網(wǎng)絡(luò),通過動態(tài)物理交聯(lián)實現(xiàn)了超高拉伸性、自恢復(fù)性、缺口不敏感性、自愈合性和粘附性等優(yōu)異性能(見Scheme 1)。


  與傳統(tǒng)依賴不可逆共價鍵的化學(xué)交聯(lián)水凝膠不同,該AMA水凝膠網(wǎng)絡(luò)利用高度動態(tài)的偶極-偶極相互作用和較低動態(tài)的氫鍵交聯(lián),形成了一個既堅韌又高度可拉伸的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。偶極-偶極相互作用與氫鍵的不同弛豫時間,使這些交聯(lián)鍵在拉伸應(yīng)力作用下能夠依次斷裂并重組,伴隨著聚合物鏈的延展與斷裂,從而實現(xiàn)逐級變形。即使在超過9000%的拉伸應(yīng)變下,水凝膠仍表現(xiàn)出卓越的彈性與自回復(fù)性。這種優(yōu)異的拉伸性和韌性在物理交聯(lián)水凝膠中極為罕見,同時顯著提升了材料的抗裂能力(斷裂能 >10 kJ/m2)。此外,AMA水凝膠還展現(xiàn)出良好的自愈合性能,得益于其動態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可逆性。MA和AN基團(tuán)的引入進(jìn)一步增強(qiáng)了其粘附性能,使其可牢固附著于玻璃、金屬、塑料、橡膠和豬皮等多種基底。通過引入LiCl,水凝膠還具備導(dǎo)電能力,成為可穿戴應(yīng)變傳感器的理想候選材料,可實現(xiàn)對人體運(yùn)動的精準(zhǔn)檢測。該研究通過協(xié)同氫鍵和偶極-偶極相互作用,在單一水凝膠網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)了機(jī)械性能和功能性能的突破性結(jié)合,為開發(fā)高拉伸、高耐久性的下一代水凝膠材料開辟了新途徑。其成果為柔性電子設(shè)備、生物醫(yī)學(xué)工程和健康監(jiān)測等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供了重要理論與實踐支撐,展示了廣闊的應(yīng)用前景。


Scheme 1 AMA水凝膠的設(shè)計


Fig. 1 AMA 水凝膠的結(jié)構(gòu)表征


Fig. 2 AMA 水凝膠的超拉伸性


Fig. 3 AMA 水凝膠超拉伸特性的機(jī)理分析


Fig. 4 AMA 水凝膠的抗疲勞性、自恢復(fù)性、缺口敏感性、自愈合能力和粘附性


Fig. 5 AMA 水凝膠的傳感性能


  四川師范大學(xué)研究生袁婉婷為論文第一作者,趙麗娟教授和王義副教授為論文通訊作者。本研究工作得到了國家自然科學(xué)基金(52203013)、四川省科技計劃項目(2024NSFSC1030)經(jīng)費(fèi)資助。


  原文鏈接https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/mh/d4mh01462f

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