水凝胶韧性的计算方法 四川大学楚合涛

【科研摘要】

传感器和软机器人的快速发展大大增加了对具有各种高性能的独特水凝胶的需求。然而，通过简便的方法制备多功能水凝胶仍然是一个挑战。最近，四川大学楚合涛副研究员/李建树教授团队通过丙烯酰胺（AM）和丙烯酰基Pluronic 127（PF127-DA）的共聚，新型超拉伸型（435–2716％，10–40 wt％），可变模量（0.36–112.79 MPa，30 wt％ ），坚韧（1.13–7.17 MJ m-3、10–40 wt％），低滞后（约10％，30 wt％），透明（27.98–83.78％，10–40 wt％）和形状记忆（固定）制备了由动态胶束海岛结构衍生的水凝胶，其水合率高达97％，回收率高达100％，重量百分比为10％。

利用溶剂诱导的PF127-DA分子链的聚环氧乙烷链段结晶和基质体积相变来实现可变模量和形状记忆的新策略是可以循环执行的纯物理过程。值得注意的是，该设计反映了PF127-DA胶束在优化机械性能和智能方面的重要作用。此外，PAM/PF127水凝胶对可变形性，弹性，溶剂诱导的形状记忆和可变模量特性表现出很高的敏感性，可用于应力传感器，阻尼垫和机械轴承。这些新颖类型的水凝胶可适用于多功能和适应性平台。相关论文以题为Ultra‐Stretchable, Variable Modulus, Shape Memory Multi‐Purpose Low Hysteresis Hydrogel Derived from Solvent‐Induced Dynamic Micelle Sea‐Island Structure发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图见析】

图1 PAM/PF127水凝胶的合成和性能示意图。a）PF127-DA的合成；b）PAM/PF127水凝胶的合成及其在水或乙醇中的微观结构；c）固含量为10 wt％的PAM/PF127水凝胶的打结，弯曲，延展性，拉伸，形状记忆，自愈和可变模量特性。

图2 PAM/PF127水凝胶在水中的力学行为和结构分析。a）固含量变化的PAM/PF127水凝胶的拉伸应力-应变曲线; b）各种固体含量的PAM/PF127水凝胶的韧性；c）在不同应变下，固含量为30 wt％的PAM/PF127水凝胶连续十次加载-卸载拉伸循环；d）韧性-滞后图。e）固含量变化的PAM/PF127水凝胶的压缩应力-应变曲线；f）在不同应变下，固含量为30 wt％的PAM/PF127水凝胶连续十次加载-卸载压缩循环；g）固含量为30 wt％的聚丙烯酰胺，PF127-DA和PAM/PF127水凝胶的FTIR光谱; h）固含量为30 wt％的PAM/PF127水凝胶的TEM图像；i）具有不同固体含量的PAM/PF127水凝胶的SAXS曲线。

图3 EtOH中PAM/PF127水凝胶的力学行为和结构分析。a）在水中或在乙醇中固体含量为10 wt％的PAM/PF127水凝胶的照片；b）固含量变化的PAM/PF127水凝胶的拉伸应力-应变曲线; c）固含量变化的PAM/PF127水凝胶的压缩应力-应变曲线; d）固含量为30 wt％的PAM/PF127水凝胶的杨氏模量与水/乙醇组成之间的关系；e）固含量为30 wt％的PAM/PF127水凝胶的TEM图像；f）固体含量变化的PAM/PF127水凝胶的SAXS曲线；g）在水中或在乙醇中具有30 wt％固体含量的PAM/PF127水凝胶的XRD图谱，然后干燥；偏光显微镜图像：h）水中固含量为10 wt％的PAM/PF127水凝胶，以及i）乙醇中固含量为10 wt％的PAM/PF127水凝胶。

图4 结晶机理的表征。固含量为30 wt％的PAM/PF127水凝胶从水到EtOH的FTIR光谱，a）2950–2750 cm-1；b）1150–1060 cm-1；c）氢键解离和结晶的相关性的同步和d）异步广义二维相关光谱。在此，红色区域被定义为正相关强度，蓝色区域被定义为负相关强度；红色区域被定义为负相关强度。e）拟议中的PAM/PF127水凝胶在水中或在EtOH中的结构示意图。

图5 溶剂（水和乙醇）触发了固含量为10 wt％的PAM/PF127水凝胶的形状记忆。a）完整的形状固定和修复过程的照片；b）U形试样的形状恢复过程；c）形状固定率和固定时间之间的关系；d）Rf和Rr与定影时间之间的关系。

图6 水凝胶的应用潜力。a）在不同应变下，固含量为10 wt％的PAM/PF127导电水凝胶连续十次加载-卸载拉伸循环和电阻变化。并且在不同的拉伸状态下灯的亮度变化；b）对于固体含量为10 wt％的PAM/PF127水凝胶，通过将溶剂从水转换为EtOH来打开芽；c）PAM/PF127水凝胶的性质，并用作减震垫或螺钉下方的垫；d）EtOH引起的可变模量，并为固体含量为30 wt％的PAM/PF127水凝胶提起485 g的重量；e）固体含量为30 wt％的PAM/PF127水凝胶用作体外石膏替代患者的不同部位。

参考文献：doi.org/10.1002/adfm.202011259

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