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不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授/中國林科院林化所劉鶴研究員 AM：強韌水凝膠構建的通用法則 - 纖維素納米晶水合效應調控微相分離
2025-01-02  來源：高分子科技

  近年來，鹽結晶誘導微相分離在增強的水凝膠力學性能方面受到廣泛關注，但此類方法通常因嚴重的相分離而削弱水凝膠的彈性和韌性，存在顯著局限性。針對此關鍵問題，不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授和中國林科院林化所劉鶴研究員創(chuàng)新性地提出了一種通用的相工程策略，利用纖維素納米晶（CNC）調控乙酸鈉（NaAc）結晶誘導的微相分離，成功制備出兼具高強度、高韌性、高延展性和抗疲勞性的纖維素復合水凝膠（圖1）。研究發(fā)現，單獨添加NaAc會因NaAc·3H2O晶體的形成引發(fā)嚴重的微相分離，從而制得剛性且缺乏彈性的水凝膠。而通過引入CNC，其獨特的水合效應能夠競爭性結合晶體中的水分子，有效緩解微相分離，成功實現了剛性水凝膠向彈性、強韌且耐疲勞水凝膠的轉變（圖2）。


圖1 強韌水凝膠的設計與結構特征


圖2 水凝膠的微結構和相互作用的演變


  基于這一水凝膠強韌化策略，制備的PAAm/NaAc/CNC水凝膠展現出前所未有的綜合性能，包括拉伸強度（1.8 MPa）、可拉伸性（4730%）、韌性（43.1 MJ m?3）、斷裂能（75.4 kJ m?2）和疲勞閾值（3884.7 J m?2）（圖3和圖4）。此外，CNC水合效應調控微相分離的設計策略適用于多種高分子網絡體系（如PAAm、PAA、P(AA-co-Am)、明膠和藻酸鹽等），顯著提升了各類水凝膠的體積韌性和斷裂韌性，增強幅度達10至300倍（圖5）。這一研究不僅深化了纖維素在調控軟材料結構與性能中的核心作用，同時也為未來高性能水凝膠的設計提供了新思路和新方法。


圖3 水凝膠的壓縮和拉伸性能


圖4 水凝膠的斷裂韌性和疲勞抗性


圖5 水凝膠強韌化策略的通用性


  該工作以“A Universal Strategy to Mitigate Microphase Separation via Cellulose Nanocrystal Hydration in Fabricating Strong, Tough, and Fatigue-Resistant Hydrogels”為題發(fā)表于期刊Advanced Materials上（10.1002/adma.202416916）。該工作由中國林科院林化所和不列顛哥倫比亞大學合作完成，聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生王思恒為論文第一作者，中國林科院林化所劉鶴研究員和不列顛哥倫比亞大學姜鋒教授為論文共同通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202416916

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（責任編輯：xu）
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