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吉林大学孙俊奇教授课题组:高强度自修复导电水凝胶

2018-09-27 12:06:23
作者:本网整理
来源:高分子科学前沿

近几年来具有高机械强度的水凝胶材料因在承载材料(如软骨、组织工程支架)等方面具有巨大应用前景而受到人们的广泛关注。赋予水凝胶材料自修复能力可以大大提高其使用寿命和功能的可靠性。

    近几年来具有高机械强度的水凝胶材料因在承载材料(如软骨、组织工程支架)等方面具有巨大应用前景而受到人们的广泛关注。赋予水凝胶材料自修复能力可以大大提高其使用寿命和功能的可靠性。然而,高强度水凝胶的聚合物链间具有强度较高且稳定的交联作用,限制了聚合物链的运动能力,进而降低了水凝胶的自修复能力。如何制备同时具有高机械强度和优异修复性能的水凝胶材料是自修复水凝胶研究中的难题。吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室孙俊奇教授领导的研究小组基于带有相反电荷的可聚合单体的一步聚合反应并结合透析过程,制备了具有高机械强度、高韧性以及良好的导电性的水凝胶材料。其中水凝胶的透析步骤可以调控水凝胶中的无机离子的含量,进而能够实现凝胶的机械强度和离子导电性能的优化。该水凝胶良好的力学性能和修复性能源于凝胶内部的可逆的静电力和氢键的协同作用。

 

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▲P(urea-IL-SPMA)聚两性电解质水凝胶的制备过程。


    他们将带正电的含脲基的咪唑类离子液体单体(urea-IL)和带负电的甲基丙烯酸3-磺酸丙酯钾盐(SPMA)在紫外光照的条件下通过一步无规共聚的方法制备了聚两性电解质水凝胶。将所得水凝胶在水中进行透析,可除去凝胶中的抗衡离子,从而增强咪唑基团和磺酸基团之间的静电相互作用。与原本柔软的水凝胶相比,透析3天后的P(urea-IL-SPMA)水凝胶具有更为优异的机械性能,其拉伸强度、断裂伸长率以及韧性分别可达≈1.3 MPa、≈720%和≈6.7 MJ/m3。并且,P(urea-IL-SPMA)水凝胶可以进行任意的扭曲、打结、拉伸,且宽度为3 mm、厚度为1.7 mm的水凝胶能够承载500 g的砝码而不产生损伤。他们的对照实验表明,脲基间的氢键相互作用作为牺牲键在凝胶变形过程中能够有效地耗散能量,对提高凝胶的机械强度和韧性起到重要作用。由于可逆的静电力以及氢键相互作用,P(urea-IL-SPMA)水凝胶在断裂后,只需将断面相接触置于室温下24 h即可实现损伤修复并恢复其原有的高机械强度(修复效率可达≈91%)。

 

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▲P(urea-IL-SPMA)水凝胶同时具有优异的机械性能以及自修复性能。


    此外,基于静电力以及氢键相互作用的动态交联网络的有效断裂和重组赋予了P(urea-IL-SPMA)水凝胶良好的弹性回复性能和抗疲劳性能,从而确保了高强度P(urea-IL-SPMA)水凝胶的耐久性和可靠性。

 

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▲P(urea-IL-SPMA)水凝胶具有良好的弹性回复以及抗疲劳性能。


    由于P(urea-IL-SPMA)水凝胶在透析后凝胶内部仍然保留了足够量的抗衡离子,所以该水凝胶具有良好的室温离子电导率,其电导率可达≈3 S/m,且在反复拉伸及弯折后电导率并无明显下降。此外,切断的凝胶经修复后可以恢复原来的电导率(≈2.9 S/m),仍可作为导体点亮LED灯泡。

 

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    ▲图a,b为P(urea-IL-SPMA)水凝胶在拉伸以及反复弯曲状态下的导电性变化。图c-f为P(urea-IL-SPMA)水凝胶受机械损伤后的导电性修复情况。


    该工作的意义在于,通过简单的一步聚合及透析的方法,能够制备同时具有高机械强度、高弹性及优异导电性的自修复柔性水凝胶材料。该材料在可穿戴电子设备、柔性电子器件和电池等领域具有潜在的应用价值。自修复性能的引入大大延长了P(urea-IL-SPMA)水凝胶的使用寿命、提高了其可靠性。最后,我们相信这项工作为制备高性能自修复水凝胶材料开辟了新的思路。

 

 

 

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责任编辑:王元

 


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标签: 吉林大学, 高强度自修复导电水凝胶

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