80电影天堂网,少妇高潮一区二区三区99,jαpαnesehd熟女熟妇伦,无码人妻精品一区二区蜜桃网站

  近年來，高機(jī)械強(qiáng)度水凝膠的研究受到極大的關(guān)注，新型高強(qiáng)度水凝膠層出不窮，水凝膠的強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長率、韌性和斷裂能等機(jī)械性能指標(biāo)也不斷被刷新。高強(qiáng)度水凝膠的出現(xiàn)擴(kuò)大了傳統(tǒng)水凝膠的應(yīng)用范圍，也逐漸改變了人們對水凝膠的認(rèn)知。盡管如此，目前高強(qiáng)度水凝膠的力學(xué)性能和一些生物組織（例如肌腱、韌帶等生物水凝膠）和工程塑料等相比還相差甚遠(yuǎn)。是否有可能制備出力學(xué)性能超過生物組織甚至塑料的高強(qiáng)度水凝膠？

  最近，北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院汪輝亮教授課題組在制備超高強(qiáng)度水凝膠方面取得了重要進(jìn)展，其課題組研究人員利用浸泡和冷拉的方法來增強(qiáng)聚合物之間的氫鍵相互作用，從而制備了一種力學(xué)強(qiáng)度超過塑料的超強(qiáng)韌聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝膠（Super-strong and tough poly(vinyl alcohol)/poly(acrylic acid) hydrogels reinforced by hydrogen bonding, Journal of Materials Chemistry B, 2018, DOI: 10.1039/C8TB02556H）。

  他們首先通過冷凍—解凍法制備了物理交聯(lián)的聚乙烯醇（PVA）水凝膠。然后將PVA凝膠浸泡在聚丙烯酸水溶液中，得到聚乙烯醇/聚丙烯酸（PVA/PAA）水凝膠。隨著PAA遷移進(jìn)PVA凝膠中，PAA鏈上的羧基與PVA鏈上的羥基形成大量的氫鍵，增大了水凝膠的交聯(lián)密度（同時(shí)其含水量降為36–40%）。此外，通過將PVA/PAA水凝膠進(jìn)行冷拉處理，使得水凝膠內(nèi)部的高分子鏈進(jìn)一步靠近并高度取向，誘導(dǎo)PVA與PAA分子鏈間更多的氫鍵形成，使其力學(xué)性能得到極大提升，從而制備了一種力學(xué)強(qiáng)度超過塑料的超強(qiáng)韌水凝膠（圖1）。

圖1. 聚乙烯醇/聚丙烯酸（PVA/PAA）水凝膠的形成機(jī)理。（a）PVA水溶液，（b）通過冷凍解凍操作得到的PVA水凝膠，（c）將PVA水凝膠浸泡入PAA水溶液后得到的PVA/PAA水凝膠，（d）將PVA/PAA水凝膠冷拉處理后得到高度取向的超強(qiáng)韌水凝膠。

  PVA/PAA水凝膠的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率和模量均隨在PAA溶液中的浸泡時(shí)間的增加而增加。在浸泡時(shí)間相同時(shí)（48 h），這些力學(xué)性能隨著制備PVA凝膠的PVA濃度的增大而增大。PVA/PAA水凝膠的拉伸強(qiáng)度和彈性模量最高分別可達(dá)20.7 MPa和7.1 MPa。氫鍵的易被破壞性賦予凝膠十分有效的能量耗散機(jī)制，使得PVA/PAA水凝膠在拉伸后呈現(xiàn)不可回復(fù)性，這為后續(xù)的冷拉處理提供了必要的條件（圖2）。

圖2. （a）不同浸泡時(shí)間的PVA/PAA水凝膠應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖，（b）不同PVA制備濃度的PVA/PAA水凝膠應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖（固定浸泡時(shí)間為48小時(shí)），（c）不同PVA制備濃度的PVA/PAA水凝膠的韌性（K）和斷裂能（G），（d）PVA/PAA水凝膠的循環(huán)拉伸曲線。

  將PVA/PAA水凝膠進(jìn)行冷拉處理后其力學(xué)性能得到極大提高。水凝膠的拉伸強(qiáng)度和彈性模量值隨著冷拉率的增大而增大，當(dāng)冷拉率達(dá)到240%時(shí)，冷拉PVA/PAA水凝膠的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別可達(dá)140和100 MPa（圖3）。其拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了生物組織和大部分工程塑料的拉伸強(qiáng)度（幾十兆帕）。當(dāng)PVA制備濃度為14%時(shí)，冷拉后的PVA/PAA水凝膠的韌性可達(dá)117 MJ m^-3，斷裂能可達(dá)101 kJ m^-2，遠(yuǎn)超過其他一些人工合成的高強(qiáng)度水凝膠材料（圖4）。冷拉后的PVA/PAA水凝膠線（直徑0.5毫米）能輕松拉起3.5千克的重物；并且根據(jù)PVA/PAA水凝膠相對柔軟的性質(zhì)，PVA/PAA水凝膠線可以作為手術(shù)縫合線來縫合傷口（圖5）。

圖3. （a）不同PVA制備濃度的冷拉PVA/PAA水凝膠應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖（冷拉率固定為100%），（b）不同PVA制備濃度的冷拉PVA/PAA水凝膠的拉伸強(qiáng)度和彈性模量值（冷拉率固定為100%），（c）不同冷拉率的冷拉PVA/PAA水凝膠應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖（PVA制備濃度為14%），（d）不同冷拉率的冷拉PVA/PAA水凝膠的拉伸強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長率值（PVA制備濃度為14%）。

圖4. PVA/PAA水凝膠的拉伸強(qiáng)度、韌性值和斷裂能與其他高強(qiáng)度水凝膠性能的綜合對比圖。

圖5. （a）直徑0.5毫米的冷拉PVA/PAA水凝膠線的承重展示圖，（b）高強(qiáng)但柔軟的PVA/PAA水凝膠線作為手術(shù)縫合線縫合傷口展示圖。

  通過對照實(shí)驗(yàn)和各種表征證實(shí)PVA/PAA凝膠力學(xué)性能的提高并不僅僅是由于水含量的降低，PVA和PAA之間氫鍵作用也起到了重要的作用。在冷拉過程中凝膠的結(jié)晶度沒有發(fā)生明顯變化，力學(xué)性能的提高主要是由于氫鍵作用。

  通過簡單的浸泡和冷拉的處理方法來增強(qiáng)聚合物分子間的氫鍵作用，可以制備出超強(qiáng)韌的水凝膠材料。冷拉聚乙烯醇/聚丙烯酸水凝膠的力學(xué)性能十分優(yōu)異，可以作為受力承重材料應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，其超高的強(qiáng)度和韌性將大大拓展傳統(tǒng)水凝膠的應(yīng)用范圍。更重要的是，這種浸泡和冷拉的制備思路可以延伸到其他高強(qiáng)度水凝膠和聚合物材料的制備，并且能通過選擇合適的原材料制備出許多具有其他特殊性能的材料。

  該工作的第一作者為博士生劉天棋，通訊作者是汪輝亮教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃的資助。

  論文鏈接：http://dx.doi.org/10.1039/C8TB02556H

  DOI: 10.1039/C8TB02556H