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

  雖然存在于生物體系中，但是開(kāi)發(fā)由離子鍵和金屬配位鍵同時(shí)構(gòu)建的聚兩性電解質(zhì) (Polyampholyte, PA) 水凝膠網(wǎng)絡(luò)仍具有挑戰(zhàn)性。近日，湖北工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院黃以萬(wàn)副教授、李學(xué)鋒教授團(tuán)隊(duì)提出了一種簡(jiǎn)單的“二次平衡方法”由離子鍵和金屬配位鍵協(xié)同增強(qiáng)增韌PA水凝膠。

  在該方法中，首先將由離子鍵構(gòu)成的原始PA水凝膠浸泡于具有配位能力的多價(jià)金屬離子溶液中透析直至溶脹平衡，然后將上述平衡的水凝膠浸泡于去離子水中透析除去自由的金屬離子（及其反離子）直至再次達(dá)到平衡，最后得到強(qiáng)韌性PA水凝膠。該方法能夠在PA水凝膠網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)引入離子鍵和金屬配位鍵，能夠有效地優(yōu)化水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同強(qiáng)韌化的目的。

  該論文還通過(guò)選擇不同的原始PA凝膠體系和不同的多價(jià)金屬離子，驗(yàn)證了所提出方法具有普適性。此外，提高水凝膠離子導(dǎo)電性的常用方法之一是在凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入可自由遷移的鹽離子，但此類(lèi)水凝膠可能在水環(huán)境中導(dǎo)電性不穩(wěn)定；通過(guò)該論文的方法有效地避免了這一問(wèn)題，所制備的水凝膠即使在水中平衡狀態(tài)下也表現(xiàn)出穩(wěn)定的離子導(dǎo)電性，在應(yīng)變傳感器領(lǐng)域表現(xiàn)出應(yīng)用前景。

  最后，該論文還通過(guò)粘彈性理論模型討論了所制備水凝膠的粘彈性和彈性對(duì)力學(xué)性能的貢獻(xiàn)，從而進(jìn)一步理解了其增強(qiáng)增韌機(jī)理。該論文所提出的方法簡(jiǎn)單卻能夠有效地強(qiáng)韌化PA水凝膠；同時(shí)，該論文也為PA水凝膠在電解質(zhì)溶液中的行為提供了新見(jiàn)解。相關(guān)研究成果近期以題為“Strong Tough Polyampholyte Hydrogels via the Synergistic Effect of Ionic and Metal–Ligand Bonds”在線發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

論文亮點(diǎn)

1. 實(shí)現(xiàn)了由離子鍵和金屬配位鍵協(xié)同增強(qiáng)增韌PA水凝膠：金屬配位鍵交聯(lián)增強(qiáng)普通聚電解質(zhì)水凝膠是目前通常采用的手段之一（如Fe³⁺交聯(lián)的聚丙烯酸水凝膠），但PA水凝膠在金屬鹽溶液中表現(xiàn)出顯著的“反聚電解質(zhì)效應(yīng)”，即隨著金屬離子濃度升高水凝膠樣品表現(xiàn)出顯出的溶脹和弱化行為，該論文通過(guò)簡(jiǎn)單的“二次平衡方法”成功克服這一問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了協(xié)同強(qiáng)韌化的目的。

2. 所提出的“二次平衡方法”簡(jiǎn)單卻可高效提高PA水凝膠的力學(xué)性能且具有普適性：所制備的PA水凝膠中最高楊氏模量可達(dá)19.9 ± 0.3 MPa，拉伸斷裂強(qiáng)度可達(dá)4.2 ± 0.1 MPa，拉伸斷裂功可達(dá)10.5 ± 0.6 MJ/m³，同時(shí)水凝膠樣品還可保持較高的可拉伸性（ε = 4.6 ± 0.1 m/m）。

1. 水凝膠的設(shè)計(jì)、制備與表征

圖1 基于“二次平衡法”由離子鍵和金屬-配位鍵協(xié)同增強(qiáng)增韌PA水凝膠的設(shè)計(jì)策略與制備過(guò)程：a）設(shè)計(jì)策略與制備過(guò)程（其中“ASP”和“WEQ”分別表示未平衡和水平衡兩種狀態(tài)，且圖中未顯示相應(yīng)的反離子）；b）該論文中所采用的離子型單體的化學(xué)結(jié)構(gòu)及多價(jià)金屬離子信息；c）所設(shè)計(jì)的強(qiáng)韌性 PA 水凝膠中可能存在的動(dòng)態(tài)物理鍵。

圖2 所設(shè)計(jì)的四種狀態(tài)（ASP-PA、WEQ-PA、ASP-PA-Fe³⁺ 及WEQ-PA-Fe³⁺）的PA 水凝膠的溶脹動(dòng)力學(xué)、物理與化學(xué)結(jié)構(gòu)及拉伸性能比較（此處的原始PA水凝膠是P(NaSS-co-DMAEA-Q) 水凝膠，且透析溶液濃度C_Fecl3= 0.7 M）：a）樣品的宏觀照片；b）樣品的體積溶脹比（Q_v）隨透析時(shí)間（t_dia）的變化圖；c）樣品的接觸角圖像和 d）接觸角具體數(shù)據(jù)；e）樣品的SEM 圖像和 f）從圖中估測(cè)的樣品孔徑；g）樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和 h）具體的力學(xué)性能（包括拉伸斷裂強(qiáng)度、楊氏模量及拉伸斷裂功）數(shù)據(jù)。

圖3 透析溶液濃度（C_Fecl3）對(duì)所形成PA水凝膠的溶脹行為和紅外光譜的影響：a）在不同濃度的FeCl₃透析溶液中浸泡后ASP-PA-Fe³⁺水凝膠樣品的宏觀照片；b）ASP-PA-Fe³⁺水凝膠和WEQ-PA-Fe³⁺水凝膠樣品的體積溶脹比(Qv)隨C_Fecl3的變化圖（其中黃色雙箭頭實(shí)線表示在兩種透析介質(zhì)中Q_v的變化）；c）WEQ-PA-Fe³⁺水凝膠樣品的紅外光譜圖。

2. 透析溶液中鐵離子濃度對(duì)水凝膠力學(xué)性能的影響

圖4 透析溶液濃度（C_Fecl3）對(duì)WEQ-PA-Fe³⁺水凝膠樣品的拉伸和撕裂行為的影響（此處的原始PA水凝膠是P(NaSS-co-DMAEA-Q) 水凝膠）：a）樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和b-d）具體的力學(xué)性能數(shù)據(jù)；e）樣品的撕裂力與位移曲線和f）相應(yīng)的撕裂能數(shù)據(jù)。

圖5 WEQ-PA-Fe³⁺水凝膠樣品的自回復(fù)和抗疲勞行為（此處的原始PA水凝膠是P(NaSS-co-DMAEA-Q) 水凝膠，且C_Fecl3= 0.7 M）：a）不同等待時(shí)間水凝膠樣品的拉伸加載-卸載曲線；b）殘余應(yīng)變和回復(fù)比隨等待時(shí)間的變化圖；c）同一水凝膠樣品在不同應(yīng)變（ε = 1.0-7.0 m/m）下的連續(xù)（即不等待）循環(huán)拉伸加載-卸載曲線；d）當(dāng)c）中經(jīng)過(guò)循環(huán)拉伸的水凝膠樣品在25 °C經(jīng)過(guò)48 h等待后的拉伸曲線與沒(méi)有經(jīng)過(guò)循環(huán)拉伸的水凝膠樣品的拉伸曲線對(duì)比圖。

3. 所提出“二次平衡法”的通用性驗(yàn)證

圖6 透析溶液濃度（C_Fecl3）對(duì)WEQ-PA-Fe³⁺水凝膠樣品的拉伸行為的影響（此處的原始PA水凝膠是P(NaSS-co-MPTC) 水凝膠）：a）樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和b-d）具體的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

圖7 WEQ-PA-Mⁿ⁺水凝膠樣品的拉伸性能結(jié)果（此處Mⁿ⁺代表Na⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Fe³⁺離子，且C_Fecl3= 0.7 M）：a）樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和b-d）具體的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。

4. 所制備水凝膠應(yīng)用于應(yīng)變傳感器的展示

圖8 WEQ-PA-Fe³⁺水凝膠樣品作為應(yīng)變傳感器的應(yīng)用展示：a）由LED燈泡和水凝膠樣品組成的完整電路中燈泡亮度隨著對(duì)樣品施加應(yīng)變（ε）的變化圖；b）樣品的相對(duì)電阻隨拉伸應(yīng)變（ε）變化的變化圖；c-e）樣品作為應(yīng)變傳感器成功用于檢測(cè)人體不同部位的變形。

5. 討論：金屬配位鍵的引入對(duì)水凝膠應(yīng)變軟化和硬化行為及粘彈行為的影響

圖9 透析溶液濃度（C_Fecl3）對(duì)WEQ-PA-Fe³⁺水凝膠樣品的Mooney-Rivlin曲線及其一階導(dǎo)數(shù)的影響（此處DMAEA-Q和MPTC表示原始PA水凝膠分別是P(NaSS-co-DMAEA-Q)和P(NaSS-co-MPTC)）：a,c）兩種水凝膠體系的衰減應(yīng)力σ_red vs.λ^?1；b,d）dσ_red/d(λ^?1)vs. λ^?1。上述曲線均是基于拉伸兩種體系的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到的。

圖10 透析溶液濃度（C_Fecl3）對(duì)WEQ-PA-Fe³⁺水凝膠樣品中黏彈性（G_v）和彈性（G_e）部分對(duì)其初始剪切模量（G）貢獻(xiàn)的影響：a,c）兩種水凝膠體系中G_v和G_e隨C_Fecl3的變化圖；b,d）兩種水凝膠體系中G_v/G_e隨C_Fecl3的變化圖。

  該論文通過(guò)一種簡(jiǎn)單的“二次平衡方法”制備了由離子鍵和金屬配位鍵協(xié)同增強(qiáng)增韌的PA水凝膠。為了驗(yàn)證此方法，該論文首先采用P(NaSS-co-DMAEA-Q)水凝膠作為一種模型原始 PA水凝膠和Fe³⁺作為模型配位離子制備強(qiáng)韌性PA水凝膠，初步結(jié)果表明該方法可顯著提高原始 PA水凝膠的力學(xué)性能。該論文進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)第一步中透析溶液濃度（C_Fecl3）顯著影響最終水凝膠的增強(qiáng)效率。當(dāng)=C_Fecl3 0.7 M時(shí)，與原始 PA 水凝膠相比，優(yōu)化后的水凝膠的楊氏模量、拉伸斷裂強(qiáng)度和拉伸斷裂功分別提高了200%、192%和 356%；同時(shí)，優(yōu)化后水凝膠的撕裂能也提高了164%（C_Fecl3= 2.0 M），顯示出顯著改善的破壞韌性。該論文還通過(guò)選擇另一種原始PA水凝膠（即 P(NaSS-co-MPTC)）和不同多價(jià)金屬離子（即 Al³⁺、Zn²⁺ 和 Ca²⁺）驗(yàn)證了所提出的強(qiáng)韌化PA水凝膠方法具有一定的通用性。此外，即使在水中平衡狀態(tài)下，該論文所制備的水凝膠也表現(xiàn)出穩(wěn)定的離子電導(dǎo)率，同時(shí)也具有良好的信號(hào)傳輸能力，展現(xiàn)出作為柔性應(yīng)變傳感器的應(yīng)用潛力。最后，該論文還通過(guò)粘彈性模型討論了優(yōu)化后水凝膠的粘彈性和彈性對(duì)力學(xué)性能的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步理解了其強(qiáng)韌化機(jī)理。該論文所提出的設(shè)計(jì)策略簡(jiǎn)單卻有效，對(duì)增強(qiáng)增韌PA水凝膠具有普遍性；同時(shí)，該論文也為PA水凝膠在電解質(zhì)溶液中的行為提供了新見(jiàn)解。

  論文第一作者為湖北工業(yè)大學(xué)材料系黃以萬(wàn)副教授，共同通訊作者為黃以萬(wàn)副教授和李學(xué)鋒教授，論文實(shí)驗(yàn)工作主要由碩士生肖龍亞（已被錄取為華南理工大學(xué)博士研究生）完成，參與本研究工作的還有團(tuán)隊(duì)成員龍世軍副教授、碩士生周菊、劉濤及本科生晏永奇。研究工作得到了國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51903079, 52073083）、武漢市科學(xué)技術(shù)局應(yīng)用基礎(chǔ)前沿項(xiàng)目（2019010701011397）、湖北工業(yè)大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（BSQD2019029）以及綠色輕工材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)基金項(xiàng)目（201907B05）的支持。

  參考文獻(xiàn)：

  Yiwan Huang*, Longya Xiao, Ju Zhou, Tao Liu, Yongqi Yan, Shijun Long, Xuefeng Li*, “Strong Tough Polyampholyte Hydrogels via the Synergistic Effect of Ionic and Metal-Ligand Bonds”, Advanced Functional Materials, published online, 2021.

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103917

湖北工業(yè)大學(xué)微納米及軟物質(zhì)團(tuán)隊(duì)介紹：

  團(tuán)隊(duì)由李學(xué)鋒教授擔(dān)任PI負(fù)責(zé)人，主要從事高分子軟物質(zhì)新材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，其中水凝膠材料主要研究方向有水凝膠的高性能化及其功能化，該方向還有黃以萬(wàn)副教授和龍世軍副教授。近年來(lái)，該團(tuán)隊(duì)主持國(guó)家自然基金項(xiàng)目6項(xiàng)、省部級(jí)科研項(xiàng)目與橫向科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，在專(zhuān)業(yè)期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利近30項(xiàng)，其中李學(xué)鋒教授入選“英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)2019 Top 1% 高被引作者”。最近在水凝膠方向代表性論文如下：

(1) Shijun Long, Xuefeng Li*, et al. High-Performance Photochromic Hydrogels for Rewritable Information Record, Macromolecular Rapid Communications, 2021, 42(7), 2000701.

(2) Xuefeng Li*, et al. Multiple Hydrogen Bonds–Reinforced Hydrogels with High Strength, Shape Memory, and Adsorption Anti-Inflammatory Molecules, Macromolecular Rapid Communications, 2020, 41(14), 2000202.

(3) Xuefeng Li*, et al. Programmed Transformations of Strong Polyvinyl Alcohol/Sodium Alginate Hydrogels via Ionic Crosslink Lithography, Macromolecular Rapid Communications, 2020, 41(11), 2000127.

(4) Xuefeng Li*, et al. High Strength and Antibacterial Polyelectrolyte Complex CS/HS Hydrogel Films for Wound Healing, Soft Matter, 2019, 15(38), 7686–7694.

(5) Xuefeng Li*, et al. Dual Ionically Cross-linked Double-Network Hydrogels with High Strength, Toughness, Swelling Resistance, and Improved 3D Printing Processability，ACS Applied Materials & Interfaces, 2018, 10(37), 31198?31207.