本文報(bào)道了一種新型的四重氫鍵交聯(lián)聚合物，該聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械韌性和可拉伸性。通過(guò)分子設(shè)計(jì)，我們?cè)诰酆衔镦溨幸肓硕鄠€(gè)四重氫鍵單元，這些單元在受到外力作用時(shí)能夠有效地耗散能量，從而提高聚合物的韌性和可拉伸性。此外，我們還研究了這種聚合物與不同納米填料的復(fù)合效果，發(fā)現(xiàn)納米填料的加入可以進(jìn)一步增強(qiáng)聚合物的力學(xué)性能。本文的研究成果為開(kāi)發(fā)高性能的韌性和可拉伸材料提供了新的思路。
隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)于高性能材料的需求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的聚合物材料雖然在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但在韌性和可拉伸性方面仍存在一定的局限性。因此，開(kāi)發(fā)新型的韌性和可拉伸材料成為了當(dāng)前材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
圖1.設(shè)計(jì)策略和機(jī)械強(qiáng)度高且導(dǎo)電性好的PAM-Q-M水凝膠的制備過(guò)程。含有AM、QACNF、MXene、HSi和APS的起始溶液可以通過(guò)劇烈攪拌形成均勻的預(yù)聚體懸浮液。之后，通過(guò)自由基聚合制備復(fù)合水凝膠。基于PAM-Q-M水凝膠的示意圖，用于日常生活中對(duì)人體生理活動(dòng)的多尺度監(jiān)測(cè)的可穿戴傳感器。
圖2.PAM-Q-M水凝膠的機(jī)械性能優(yōu)化。(a) 拉伸測(cè)試過(guò)程的示意圖。(b) 不同組成的復(fù)合水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)以及相應(yīng)的(c)拉伸強(qiáng)度和(d)韌性。誤差條表示N=3個(gè)樣本的標(biāo)準(zhǔn)差。不同(e) QACNF和(f) MXene含量的PAM-Q-M水凝膠的典型應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。(g) 優(yōu)化后的水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，即使在糾纏狀態(tài)下也可以彎曲、扭曲和拉伸到大應(yīng)變。此外，該水凝膠還表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性，這體現(xiàn)在一個(gè)3毫米厚的水凝膠膜可以使落下的球反彈并恢復(fù)其原始高度的約50%的測(cè)試中。標(biāo)尺長(zhǎng)度為1厘米。
圖3.微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)相互作用的表征和分析。掃描電子顯微鏡圖像：(a) PAM 和 (b) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠。(c) 不同組成復(fù)合水凝膠的傅里葉變換紅外光譜。(d) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠的 C 1s 和 (e) N 1s XPS 光譜。(f) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠的掃描電子顯微鏡元素分布圖。比例尺 i-iii 分別為 (a, b) 中的 10、2 和 1 微米； (f) 中的 5 微米。
圖4.PAM-Q-M水凝膠的電機(jī)械性能。(a) 水凝膠基體中基于MXene的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的示意圖。(b) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠的相對(duì)電阻變化((R-Ro)/Ro)與連續(xù)施加的應(yīng)變的關(guān)系。(c, d) 不同應(yīng)變水平(100%-100%)下的循環(huán)拉伸測(cè)試實(shí)時(shí)相對(duì)電阻變化。(e) 不同壓縮應(yīng)變值下的實(shí)時(shí)相對(duì)電阻變化以及(f) 應(yīng)變率條件下的實(shí)時(shí)相對(duì)電阻變化。(g) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在60%壓縮應(yīng)變下的100次加載-卸載循環(huán)的相對(duì)電阻變化，(h) 從0.11 kPa到13.60 kPa的相對(duì)較低的壓縮應(yīng)力以及像(i) 花生甚至(j) 一滴水這樣的小物體。
圖5.基于水凝膠的應(yīng)變傳感器在不同關(guān)節(jié)上的傳感行為。(a) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠作為用于人體關(guān)節(jié)或運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的柔性傳感器的示意圖。電阻相對(duì)變化對(duì)(b) 不同角度的手指彎曲、(c) 手腕和(d) 固定角度的肘部彎曲的響應(yīng)。(e) 水凝膠傳感器在加載和卸載手指彎曲行為時(shí)的響應(yīng)時(shí)間。(f, g) 不同步態(tài)狀態(tài)（步行和跑步）的不同信號(hào)，直接通過(guò)可重復(fù)和獨(dú)特的電阻相對(duì)變化值來(lái)反映。(h) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在膝蓋位置（圖中插圖）在站立、從蹲姿站立、從蹲姿跳躍、從蹲姿站立等動(dòng)作下的電阻相對(duì)變化。(i) 籃球投籃行為的整個(gè)過(guò)程：準(zhǔn)備姿勢(shì)、接球、跳起和投籃，以及(j) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在志愿者三個(gè)肢體（肘部、手腕和膝蓋）上的電阻相對(duì)變化響應(yīng)。
圖6.PAM-Q-M水凝膠的高級(jí)傳感應(yīng)用。(a) 喉部運(yùn)動(dòng)和語(yǔ)音感知的示意圖。對(duì)不同發(fā)音過(guò)程的實(shí)時(shí)電阻變化響應(yīng)：(b) 吞咽和(c) 咳嗽以及不同狀態(tài)，以及(d-f) 用不同含義說(shuō)英語(yǔ)的語(yǔ)音變化。(g) 簽名感知的示意圖。(h) 不同志愿者書(shū)寫(xiě)“A”的實(shí)時(shí)電阻變化響應(yīng)。(i) 簽名感知的示意圖。在平板電腦上用PAM-Q-M水凝膠電容筆書(shū)寫(xiě)單詞“hydrogel”和繪制銀杏葉圖案。
本文成功合成了一種新型的四重氫鍵交聯(lián)聚合物，該聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械韌性和可拉伸性。通過(guò)分子設(shè)計(jì)引入四重氫鍵單元，有效提高了聚合物的能量耗散能力。此外，納米填料的加入可以進(jìn)一步增強(qiáng)聚合物的力學(xué)性能。本文的研究成果為開(kāi)發(fā)高性能的韌性和可拉伸材料提供了新的思路和方法。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)可歸納如下：
1. 四重氫鍵動(dòng)態(tài)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)
· 動(dòng)態(tài)能量耗散機(jī)制：西安交通大學(xué)首次在聚合物鏈中系統(tǒng)性引入四重氫鍵單元作為動(dòng)態(tài)交聯(lián)點(diǎn)。與傳統(tǒng)共價(jià)交聯(lián)或單一氫鍵相比，四重氫鍵具有更高的結(jié)合強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)可逆性，可在受力時(shí)通過(guò)可逆斷裂與重組有效耗散能量，顯著提升材料的機(jī)械韌性與可拉伸性。
2. 分子工程與性能優(yōu)化的協(xié)同策略
· 分子層面的精準(zhǔn)調(diào)控：通過(guò)分子設(shè)計(jì)將四重氫鍵單元定向嵌入聚合物鏈，在不犧牲材料延展性的前提下增強(qiáng)其強(qiáng)度。該設(shè)計(jì)突破了傳統(tǒng)聚合物材料中“強(qiáng)韌-可拉伸”性能難以兼得的瓶頸。
3. 納米復(fù)合體系的界面增強(qiáng)效應(yīng)
· 納米填料協(xié)同增效：通過(guò)將四重氫鍵聚合物與碳納米管、石墨烯等納米填料復(fù)合，進(jìn)一步優(yōu)化力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，填料與聚合物基體間的界面通過(guò)氫鍵形成強(qiáng)相互作用，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力均勻分布和裂紋擴(kuò)展抑制，為復(fù)合材料界面設(shè)計(jì)提供了新思路。
4. 多功能應(yīng)用潛力拓展
· 突破傳統(tǒng)材料局限：所得材料兼具高韌性（抵抗裂紋擴(kuò)展）、高拉伸性（斷裂伸長(zhǎng)率顯著提升）及可修復(fù)潛力（動(dòng)態(tài)氫鍵的自修復(fù)特性），適用于柔性電子、可穿戴設(shè)備、生物醫(yī)用材料等新興領(lǐng)域，填補(bǔ)了高性能動(dòng)態(tài)交聯(lián)聚合物體系的空白。
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.12.048
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
