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华南理工大学邱学青和刘伟峰为水凝胶穿上盔甲:高强高韧高导电水凝胶
2019-11-28  来源:高分子科技

  导电水凝胶因其在电子皮肤、柔性传感、软体机器人等领域具有潜在应用,近年来受到了大量关注。但是,传统的离子型导电水凝胶存在着力学性能与导电性能不匹配问题,水凝胶强度高时导电性能差,导电性好时强度又很低。而人体皮肤等类水凝胶组织却同时具有优异的力学性能和电传感性能。因此,制备同时具有优异力学性能和电传感性能的水凝胶仍然是一个巨大的挑战。

  受到硬壳穿山甲的启发,华南理工大学邱学青教授和刘伟峰副研究员报道了一种利用生物质木质素磺酸钠(LS)和可生物降解的聚乙烯醇(PVA)为原料,制备高强超韧多功能水凝胶的方法。该水凝胶具有类似穿山甲的盔甲结构:表面致密的水凝胶网络镶嵌着密集的纳米银颗粒(AgNPs)团簇,充当防护盔甲,保护内部柔软的水凝胶结构。

图a) 通过冻融法和溶剂交换法制备PVA复合水凝胶的过程示意图; b) LS-1横截面的TEM图像;Ag+@LS-1 c)和Ag0@LS-1 d)横截面的SEM图像; e)Ag0@LS-1的外表面横截面SEM图像;f)Ag0@LS-1的外表面横截面的TEM图像以及银和硫元素的Mapping图。

  研究人员利用木质素磺酸盐两亲性特征在水凝胶基体中形成纳米微相分离结构,在相界面间构建高效的氢键、离子键等动态非共价键连接;同时利用木质素磺酸盐特殊的分子结构对金属离子的吸附能力,吸附银离子,并将表层银离子还原成纳米银单质;还原过程中表层水凝胶网络因盐析效应而变得更加致密,从而将纳米银颗粒镶嵌成致密的纳米银团簇,最终形成了这种特殊的外硬内软盔甲结构。这种外硬内软的梯度仿生盔甲结构赋予了水凝胶极大的韧性 (50.7 MJ/m3),以及优异的拉伸强度(8.49 MPa)和断裂伸长率(1285%),拉伸行为类似塑性体,压缩行为类似弹性体。

  由于水凝胶表面镶嵌了一层致密的纳米银颗粒,使得该水凝胶具7.1 S/m的高电导率,实现了力学性能与导电性能的完美结合。这种多功能水凝胶对于拉伸、压缩、弯曲、扭曲、书写甚至温度变化均显示出极高的敏感性。此外,表面的纳米银层还赋予水凝胶优异的抗菌抑菌功能。

a)Ag0@LS-1从0到400%的拉伸应变相对电阻变化以及LED的响应;b)在重复加载和卸载100%拉伸应变100次后,Ag0 @ LS-1的电阻响应;c)在重复加载和卸载60%压缩100次后,Ag0 @ LS-1的电阻响应;d)Ag0@LS-1对手指弯曲的实时电阻响应;e)Ag0@LS-1对腕部弯曲的实时电阻响应;f)分别扭曲0°,360°和720°的Ag0 @ LS-1的相对电阻变化。插图:扭曲过程中的LED响应;g)人型水凝胶局部变化引起的相对电阻变化;h)手写传感器器件的简单示意图;i)Ag0 @ LS-1对手写“ SCUT”的实时电阻响应以及签名传感器的可视化图形;j)断裂前和自愈后的Ag0 @ LS-1(2.75 mm×2.75 mm×30 mm)的电阻;k)一次加热及冷却过程中记录的相对电阻变化;l)在5 ~ 65 °C之间的相对电阻-温度循环曲线。

  该水凝胶制备方法极其简单,该项工作为使用廉价、绿色且易于获得的生物质和可生物降解聚合物为原料,制备具有复杂智能应用的多功能水凝胶提供了一种全新的思路。

  该研究成果“Equip the hydrogel with armor: strong and super tough biomass reinforced hydrogels with excellent conductivity and anti-bacterial performance”近期发表在Journal of Materials Chemistry A(IF=10.733), 论文通讯作者为华南理工大学刘伟峰副研究员邱学青教授,博士生张晓为论文共同一作。该工作阐述了木质素在绿色功能高分子材料中应用的重要性,证实了工业木质素分子结构的特殊作用,为今后的木质素/高分子复合材料的理性设计提供了借鉴。

  该工作得到了国家自然科学基金青年基金(21706082)、广州市科技计划一般项目(201804010140)和重点项目(201707020025)、广东省重点培育项目(2017 B090903003)和广东省基金(2018B030311052,2019A1515012154)的资助。

  论文链接地址:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA10509C#!divAbstract

  由邱学青教授领衔的华南理工大学生物质资源化工团队长期从事生物质资源-木质素的应用基础研究,在木质素基工业表面活性剂、木质素纳米材料的研发和应用方面取得多项原创性成果,并有多项产品实现工业化应用。

  刘伟峰博士长期从事生物质/高分子复合材料、智能高分子、高性能聚烯烃产品工程、热塑性弹性体的应用基础研究,在聚合物产品工程领域具有丰富的研究经验。

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(责任编辑:xu)
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