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北化胡君教授團隊《Adv. Funct. Mater.》：通過溶劑置換策略構建超強、超韌的低共熔凝膠

2022-08-10 來源：高分子科技

近年來，軟體機器人、柔性電子設備和人工智能領域的興起，激發(fā)人們對凝膠材料制備方法、性能及應用的不斷探索。然而，傳統(tǒng)凝膠材料正面臨耐溫性差、導電性低、制備成本高等系列問題，極大限制實際應用開發(fā)。低共熔凝膠（Eutectogels）作為一種新興的以低共熔溶劑（Deep eutectic solvents, DESs）為分散介質的軟材料，其在導電性、熱穩(wěn)定性、成本、電化學穩(wěn)定性、環(huán)境友好性、生物安全性、加工性等方面表現(xiàn)良好，是一類綜合性能優(yōu)異的柔性離子導體材料，在能源、電子和環(huán)境科學領域具有不可估量的應用前景。目前，基于物理相互作用的低共熔凝膠雖然具有良好的生物安全性和動態(tài)可恢復性，但由于非共價相互作用相對較弱，物理交聯(lián)低共熔凝膠的網(wǎng)絡穩(wěn)定性和力學強度往往不盡如人意。

近日，北京化工大學胡君教授團隊利用聚合物在不同溶劑中分布狀態(tài)的差異，通過良溶劑與DESs置換的策略，調控聚合物間非共價相互作用的時域性表達。在良溶劑中，溶劑分子依靠強大的溶劑-聚合物相互作用抑制聚合物間作用力，促進“聚合物解離”，實現(xiàn)均勻網(wǎng)絡的構建；使用DESs與良溶劑交換后，聚合物間相互作用得以強化，誘導均勻且堅固的聚合物網(wǎng)絡形成，完成“網(wǎng)絡重構”，進而獲得力學性能優(yōu)異的物理交聯(lián)低共熔凝膠（DESs-PVA，圖1）。經(jīng)測試，DESs-PVA₂₀低共熔凝膠的極限斷裂應力為20.2 MPa、韌性為62.7 MJ/m^-3、斷裂能為42.4 kJ/m^-2，優(yōu)于目前所報道的所有物理交聯(lián)低共熔凝膠。

圖1 低共熔凝膠的制備過程及其光學照片

利用溶劑置換過程能夠對損傷的DESs-PVA低共熔凝膠進行修復。將PVA水溶液滴涂于物理孔隙處，待完全填充后，將凝膠浸泡于DESs中6 h，可以發(fā)現(xiàn)破損的孔隙結構可以被完全修復。經(jīng)修復后，DESs-PVA₁₅的斷裂強度為8.7 MPa，修復效率超過60%。受益于這種可修復性，DESs-PVA低共熔凝膠作為工程和功能材料的使用壽命和耐久性將會被大幅度延長。

圖2 DESs-PVA₁₅低共熔凝膠的修復過程示意圖及力學性能變化

除了具有高強、高韌的機械性能以及良好的耐溫性能外，DESs-PVA低共熔凝膠還表現(xiàn)出優(yōu)異的粘接性能，能夠對各種基體材料實現(xiàn)強有力的粘接，包括多孔的木材、親水的玻璃、疏水的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、聚四氟乙烯（PTFE）以及金屬鋁板和銅板（圖3）。

圖3 DESs-PVA₁₅低共熔凝膠的粘接性能

此外，溶劑置換誘導的原位凝膠化過程使低共熔凝膠適合于制備高強度導電凝膠纖維。通過濕法紡絲方法所得到的DESs-PVA₂₀低共熔凝膠纖維的斷裂強度為20.8 MPa、伸長率為850%，具有作為工程力學材料應用的潛力。同時，由于DESs固有的導電性，該低共熔凝膠纖維可作為應變傳感器材料，實現(xiàn)其在柔性電子領域的高價值應用（圖4）。

圖4 低共熔凝膠纖維的制備及其性能表征

該工作以“Strong and Tough Physical Eutectogels Regulated by the Spatiotemporal Expression of Non-Covalent Interactions”為題發(fā)表于Advanced Functional Material，通訊作者為北京化工大學軟物質高精尖創(chuàng)新中心胡君教授，第一作者為北京化工大學博士生張浩。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202206305

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（責任編輯：xu）

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