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中南民大張道洪教授/姜宇副教授團隊 Angew：基于超支化結構構建高強高韌水凝膠

2023-09-05 來源：高分子科技

水凝膠因具有高吸水性、柔軟性、可塑性等性能特點和廣泛的應用前景而受到越來越多的關注。然而，水凝膠的應用往往受到其機械性能缺陷的限制，如強度較低和韌性較差等。近年來，多種合成策略被用于開發新型高性能水凝膠，如構建多重網絡結構，引入動態相互作用（離子鍵、氫鍵、配位鍵等），開發新型交聯劑等。其中，多重網絡水凝膠的構建往往涉及到復雜的多步合成。與之相比，在水凝膠中引入動態相互作用或新型交聯劑是提高其機械性能的更簡單有效的方法。近日，中南民大超支化聚合物團隊張道洪教授、姜宇副教授和阿卜杜拉國王科技大學Nikos Hadjichristidis教授合作，在基于超支化大分子交聯劑構建高強高韌水凝膠方面取得了新的研究進展，相關成果以“Strong and Ultra-tough Ionic Hydrogel Based on Hyperbranched Macro-cross-linker: Influence of Topological Structure on Properties”為題，發表在國際著名期刊《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.202310832），化材學院姜宇副教授為論文第一作者和通訊作者，張道洪教授為共同通訊作者。

超支化聚合物作為一種高度支化拓撲結構的聚合物，因其優異的溶解性、低粘度和大量末端基團等優點而在藥物載體、結構材料等領域有著重要的應用前景。近年來，張道洪教授團隊在超支化聚合物拓撲結構精準調控（Angew. Chem., 2022, 61, e202211713; 2021, 60, 331；Chem. Eng. J: 2018, 334, 1371; 2020, 387,124071）、超支化環氧樹脂及復合材料（Nat. Sustain., 2020, 3, 29；ACS Macro Lett, 2021, 10, 1113; Macromolecules, 2022, 55, 595; Chem. Eng. J.: 2023, 465, 142998; 2023, 471, 144329; Prog. Mater. Sci. 2022, 130, 100977)、超支化聚合物材料循環利用（Macromolecules, 2023, 56, 5290; ACS Sustain. Chem. Eng., 2023, 11, 11077）等領域取得了一系列研究進展，促進了相關領域快速健康發展。本文是該團隊在超支化聚合物材料領域的又一研究成果，團隊進一步將超支化拓撲結構引入水凝膠材料中，超支化分子非纏結幾何形狀可增強柔性聚合物鏈的鏈段運動能力，豐富的端基則可以有效地提供足夠的交聯位點，從而賦予水凝膠優異的強度、拉伸性和韌性。

本工作首先合成了羧基官能化和丙烯酰基封端的超支化聚己內酯，以其用作大分子交聯劑，引入聚丙烯酸-丙烯酰胺水凝膠中。超支化分子的末端丙烯酰基以化學方式結合到網絡中，形成共價交聯，有助于形成堅固的網絡。疏水的聚己內酯鏈自發聚集形成的疏水結構域，以及羧基形成配位鍵提供動態非共價交聯作用，增強能量耗散能力。文中詳細探究了超支化拓撲結構對水凝膠機械性能的影響，研究發現與線性結構的大分子交聯劑相比，使用超支化大分子交聯劑可使水凝膠表現出優異的增強和增韌效果。通過調節超支化拓撲結構，可在較寬范圍內調控水凝膠的力學性能，其中適中的支化度和端基修飾度可賦予凝膠最優的共價/非共價交聯平衡，從而獲得最優的拉伸強度和韌性。使用該水凝膠作為應變傳感器時，超支化交聯劑還賦予其比線形交聯劑交聯的水凝膠更高的靈敏度。