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河北科技大學(xué)余旭東團(tuán)隊(duì) Small：基于芳香酸交聯(lián)的超快自愈、可超拉伸和超強(qiáng)的聚合物簇水凝膠應(yīng)變傳感器
2023-12-12  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，柔性可穿戴水凝膠應(yīng)變傳感器在醫(yī)療保健、人機(jī)交互、柔性器件、智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。自愈性、可拉伸性、粘附性、均勻性和透明度是水凝膠應(yīng)變傳感器的重要指標(biāo)，對(duì)推動(dòng)導(dǎo)電水凝膠在柔性電子皮膚等高科技領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義。然而，目前文獻(xiàn)報(bào)道的人工合成水凝膠很難實(shí)現(xiàn)這些功能的兼容。



  為了解決上述問(wèn)題，河北科技大學(xué)余旭東教授團(tuán)隊(duì)合成了一類新型的基于聚丙烯酸和氧化聚乙烯亞胺的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠體系。該研究通過(guò)聚乙烯亞胺的氧化反應(yīng)和聚丙烯酸的自由基聚合物反應(yīng)的協(xié)同作用，可在1分鐘內(nèi)快速制備基于聚合物簇的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠體系，同時(shí)，芳香族甲酸和聚合物簇作為超分子交聯(lián)劑可以有效提升雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。該研究成果以“Ultrafast Self-Healing, Superstretchable, and Ultra-Strong Polymer Cluster-Based Adhesive Based on Aromatic Acid Cross-Linkers for Excellent Hydrogel Strain Sensors”為題發(fā)表于Small期刊。


圖1. PAA-co-PAAS@ohPEI@TTpy水凝膠的設(shè)計(jì)原理、制備過(guò)程及超分子間作用說(shuō)明。


  如圖1A所示，他們首先設(shè)計(jì)制備了含有三個(gè)羧酸功能團(tuán)的有機(jī)凝膠因子TTPy，分子由于含有-COOH和芳香環(huán)的存在有望提升水凝膠網(wǎng)絡(luò)中的氫鍵作用和π-π相互作用，從而有助于提升后續(xù)合成的水凝膠的韌性和自修復(fù)性等性能。水凝膠為一種互穿雙網(wǎng)絡(luò)（DN）聚合物，由聚乙烯亞胺（hPEI）和丙烯酸（AA）構(gòu)成聚合物雙網(wǎng)絡(luò)骨架。氫氧化鈉的使用使得PAA網(wǎng)絡(luò)上部分-COOH發(fā)生去質(zhì)子化，網(wǎng)絡(luò)記為PAA-co-PAAS，可提供羧酸、羧酸負(fù)離子作為氫鍵位點(diǎn)和負(fù)電荷網(wǎng)絡(luò)。在熱引發(fā)劑過(guò)硫酸銨（APS）的存在下hPEI可被氧化生成ohPEI簇，網(wǎng)絡(luò)含有豐富氨基官能團(tuán)作為正電荷網(wǎng)絡(luò)。值得一提的是，ohPEI團(tuán)簇的生成對(duì)于溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變過(guò)程至關(guān)重要，在APS的引發(fā)下于hPEI被氧化同時(shí)放熱使得AA在室溫下聚合形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另外，TTpy作為動(dòng)態(tài)小分子交聯(lián)劑通過(guò)-COOH與PAA-co-PAA和ohPEI網(wǎng)絡(luò)形成氫鍵作用，進(jìn)一步提升了水凝膠的機(jī)械性能、自愈性能等綜合性能，克服化學(xué)網(wǎng)絡(luò)在拉伸過(guò)程中可能出現(xiàn)的不可逆損傷導(dǎo)致的性能變差等問(wèn)題。利用聚合物簇相互作用和TTPy作為超分子交聯(lián)劑，通過(guò)多種非共價(jià)相互作用（氫鍵、π-π、靜電作用、聚合物簇間的偶極-偶極作用等），篩選出具有瞬時(shí)自愈性（<1 s，愈合率93%）、高透明度（透明度>90%）、高導(dǎo)電性（2.58 mS/cm）、超長(zhǎng)拉伸（高達(dá) 12298%）、超強(qiáng)粘附力（木材最高可達(dá) 29.59 MPa）的PAA-co-PAAS@ohPEI@TTPy雙網(wǎng)絡(luò)（DN）水凝膠（如圖2A所示）。


圖2.PAA-co-PAAS@ohPEI@TTpy水凝膠的各項(xiàng)性能


  河北科技大學(xué)理學(xué)院碩士研究生陳春為本文的第一作者，河北科技大學(xué)理學(xué)院龐雪蕾和余旭東教授為本文的通訊作者。


  該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（22271074）、河北省杰青（B2019208415）等項(xiàng)目支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202305875

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（責(zé)任編輯：xu）
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