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《Chem. Mater.》：一步法自由基光聚合調節PNAG水凝膠結構與性能及其機理

2023-06-22 來源：高分子科技

北京化工大學朱曉群副教授前期利用光聚合技術圍繞功能水凝膠或離子凝膠開展了一些工作：利用光聚合和溶膠凝膠法設計了一種硅基水凝膠，該凝膠具有很好的回彈性和抗疲勞性（Chem. Comm, 2016, 52(54), 8365 - 8368）；基于光聚合技術制備了一種可快速溫度響應水凝膠，并研究了其機理，在此基礎上引入其他物質調控響應速度和響應溫度（J. Mater. Chem. A, 2022, 10, 18235）；在圖案化磁場驅動與調控下，利用光固化技術制備了圖案化離子凝膠柔性器件，該器件具有靈敏的機械信號響應性能（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 30332?30342）；將苯乙烯基吡啶引入聚乙烯醇鏈，使得聚乙烯醇通過光二聚交聯而無需光引發劑，結合光固化3D打印技術和冷凍凍融法，制備形狀可定制、高精度和優良力學性能的PVA基水凝膠（Macromol. Rapid Commun. 2023, 2300214）。

自由基原位光聚合常被用來構建水凝膠中的第二/第三重網絡，或“固定”水凝膠中一些特殊/取向結構，用以實現某些特殊性能。然而，作為一種“三維聚合物網絡水溶液”，水凝膠的結構與性能也將直接受到聚合物分子鏈數量、分子鏈長、聚合物分子鏈間相互作用及聚合物分子鏈與水分子之間相互作用的影響。

受自由基聚合基本原理啟發，北京化工大學聶俊教授、朱曉群副教授課題組提出使用一步法自由基光聚合對水凝膠的結構與性能進行調控。通過調節光照強度(I₀)、聚合溫度(T)、引發劑濃度(PI)和單體濃度(M)，一種超分子PNAG (poly-N-acryloyl 2-glycine) 水凝膠可在0.14Mpa (400%) 至2.58Mpa (1294%)拉伸強度、15至519kPa楊氏模量及33至2.8*10³g/g吸水能力的超寬范圍內進行調控，以適應不同的應用領域。

圖1. 一步法自由基光聚合調節水凝膠結構與性能的機制及結果

除此之外，該工作還討論了上述四種調控因子對水凝膠結構與性能調節機制的相似及不同之處，特別是聚合溫度具有特殊調節能力的機理。研究結果證實，四種調節因子均具備調節水凝膠拉伸斷裂強度的能力，而該性能則被認為主要受聚合物分子鏈數量和長度的影響。

圖2. 不同調節因子下PNAG水凝膠的拉伸性能

在以往的研究中，聚合溫度通常被認為會加速光聚合反應速率，其對于聚合物結構與性能的影響主要建立在不同雙鍵轉化率的基礎上。本文作者在探索溫度如何對聚合物分子鏈長產生影響的過程中，發現光引發劑1173在UV-LED（365nm）下的光降解速率和產率對溫度有較強的依賴性，這不僅解釋低溫下光聚合獲得更長的聚合物分子鏈，也對如何降低光聚合產物中光引發劑殘留導致的生物毒性問題，具有一定的啟發作用。

圖3. 不同溫度下PNAG水凝膠的光聚合動力學及光引發劑1173的紫外光降解研究

此外，單體濃度和聚合溫度還具備調節水凝膠楊氏模量的能力。由于PNAG水凝膠中并不存在任何化學交聯點，分子鏈之間的雙/多氫鍵相互作用被認為是三維聚合物網絡中主要交聯點。通過高斯模擬得出，NAG分子間主要存在兩種雙氫鍵相互作用。研究進一步證實，水凝膠中PNAG分子鏈間氫鍵相互作用與前驅液中NAG小分子間氫鍵相互作用有相同的變化趨勢。因此，在更低的聚合溫度或更高的單體濃度條件下，前驅液中NAG 小分子間更強的氫鍵相互作用在一定程度上保留至水凝膠聚合物網絡中，獲得拉伸強度、楊氏模量更高的PNAG水凝膠。

圖4. PNAG水凝膠及其前驅液中分子間作用力的相關性

通過上述研究，作者認為，在一步法自由基光聚合中，光照強度(I₀)和引發劑濃度(PI)主要通過調節微觀聚合物分子鏈長，對宏觀水凝膠的拉伸強度和吸水能力進行調控，而單體濃度(M)和聚合溫度(T)不僅對分子鏈長具有調節作用，更可以調控水凝膠內部聚合物分子鏈間及聚合物分子鏈與水分子間相互作用力。

以上研究成果近期以“Customization of Supramolecular Hydrogels through One-step Photopolymerization and Its Mechanism” 為題，發表在《Chemistry of Materials》（DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c00572）上。北京化工大學材料科學與工程學院博士生唐瑞芬為文章第一作者，朱曉群副教授為論文通訊作者。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.3c00572

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（責任編輯：xu）

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