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川師大趙麗娟教授、王義副教授 Mater. Horiz.:通過協同氫鍵和偶極-偶極交聯構建超高拉伸、自恢復、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備、人造皮膚及生物醫學工程等新興領域的潛在應用前景備受關注。然而,水凝膠有限的拉伸性、自恢復性和抗裂性,嚴重制約了其在苛刻環境中的實際應用。盡管采用膠束交聯、納米填料以及動態相互作用等方法在性能提升方面取得了一定進展,但如何制備同時具備高拉伸性、自愈性和強粘附性的水凝膠仍然是一個挑戰。


  近期,四川師范大學趙麗娟教授、王義副教授團隊Materials Horizons上發表了題為“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水凝膠網絡,通過動態物理交聯實現了超高拉伸性、自恢復性、缺口不敏感性、自愈合性和粘附性等優異性能(見Scheme 1)。


  與傳統依賴不可逆共價鍵的化學交聯水凝膠不同,該AMA水凝膠網絡利用高度動態的偶極-偶極相互作用和較低動態的氫鍵交聯,形成了一個既堅韌又高度可拉伸的網絡結構。偶極-偶極相互作用與氫鍵的不同弛豫時間,使這些交聯鍵在拉伸應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,從而實現逐級變形。即使在超過9000%的拉伸應變下,水凝膠仍表現出卓越的彈性與自回復性。這種優異的拉伸性和韌性在物理交聯水凝膠中極為罕見,同時顯著提升了材料的抗裂能力(斷裂能 >10 kJ/m2)。此外,AMA水凝膠還展現出良好的自愈合性能,得益于其動態交聯網絡的可逆性。MA和AN基團的引入進一步增強了其粘附性能,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,水凝膠還具備導電能力,成為可穿戴應變傳感器的理想候選材料,可實現對人體運動的精準檢測。該研究通過協同氫鍵和偶極-偶極相互作用,在單一水凝膠網絡中實現了機械性能和功能性能的突破性結合,為開發高拉伸、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備、生物醫學工程和健康監測等領域的創新應用提供了重要理論與實踐支撐,展示了廣闊的應用前景。


Scheme 1 AMA水凝膠的設計


Fig. 1 AMA 水凝膠的結構表征


Fig. 2 AMA 水凝膠的超拉伸性


Fig. 3 AMA 水凝膠超拉伸特性的機理分析


Fig. 4 AMA 水凝膠的抗疲勞性、自恢復性、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基金(52203013)、四川省科技計劃項目(2024NSFSC1030)經費資助。


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

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(責任編輯:xu)
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