水凝膠因其優(yōu)越的生物相容性和可拉伸性而廣泛應(yīng)用于柔性電子和生物醫(yī)學領(lǐng)域。以往的研究表明，含水量對水凝膠的彈性和斷裂行為有顯著影響。然而，含水量對水凝膠粘接性能的影響尚未得到系統(tǒng)的探討；诖，西安交通大學劉子順課題組對不同含水量下的聚丙烯酰胺水凝膠進行了一系列實驗，揭示了水凝膠的物理粘接性能與其含水量之間的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著含水量的變化，水凝膠的粘接能發(fā)生非單調(diào)的變化。水凝膠的表面鏈密度和體能量耗散以及水凝膠與基底界面處的含水量和有效接觸面積這四個因素共同導(dǎo)致了這一關(guān)系。其中，當含水量極低(~30%)時，聚丙烯酰胺水凝膠的粘接能比高含水量時高出一個數(shù)量級。根據(jù)這一研究結(jié)果，可以通過調(diào)整水凝膠的含水量來調(diào)控其粘接性能，甚至實現(xiàn)可逆粘附。
該研究通過對含水量在23%~95%（質(zhì)量分數(shù)）范圍內(nèi)的18種不同含水量的聚丙烯酰胺水凝膠進行90度剝離測試發(fā)現(xiàn)水凝膠與玻璃硬基底的粘接能與水凝膠的含水量之間存在顯著相關(guān)性（圖1）。有趣的是，粘接能與含水量的關(guān)系并非單調(diào)，根據(jù)曲線變化趨勢的不同，可以將其劃分為四個區(qū)域。如何解釋這一非單調(diào)的變化？一般認為水凝膠-剛性基底體系的粘接能包括兩部分:表征共價鍵/非共價鍵斷裂的本征粘接能和由于粘接界面附近水凝膠變形產(chǎn)生的體能量耗散；谶@一概念，并結(jié)合剝離實驗結(jié)果，該研究提出當含水量變化時，聚丙烯酰胺水凝膠的表面鏈密度和體能量耗散以及水凝膠與基底界面處的含水量和有效接觸面積這四個因素協(xié)同導(dǎo)致了水凝膠粘接能的變化（圖2）。進一步地，該研究對不同含水量區(qū)間內(nèi)這四個因素的影響分別進行了探究。該研究還發(fā)現(xiàn)，當聚丙烯酰胺水凝膠處于極低的含水量（~30%）時，其物理粘接能比高含水量時高出一個數(shù)量級，這為提升水凝膠的粘接性能提供了一種簡便的方法。
圖1 聚丙烯酰胺水凝膠的粘接能隨含水量的變化
圖 2 影響水凝膠粘接性能的四個因素
該論文的第一作者為西安交通大學國際力學應(yīng)用中心博士生周梓棣（Zidi Zhou），共同作者為西安交通大學國際力學應(yīng)用中心雷金成（Jincheng Lei）助理教授，通訊作者為西安交通大學國際應(yīng)用力學中心劉子順（Zishun Liu）教授。作者感謝國家自然科學基金委（項目號：11820101001，12172273）的資助。
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.124730
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