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[《AFM》:高弹、高韧、高模量、透明的纳米纤维增强水凝胶]
发布日期:[13:08:27] 共阅[27]次

纳米纤维可以显著提高材料的力学性能,被认为是制备混合水凝胶的理想刚性增强材料。但不透明纳米纤维在水凝胶基体中的层状沉积或不均匀分布会导致混合水凝胶的机械性能变低,透明度变差。在不影响透明性的前提下,制备一种坚韧、可拉伸、均匀的纳米纤维增强离子导电水凝胶仍然是一项巨大的挑战。

东华大学纺织学院丁彬、张世超团队在《Advanced functional materials》上以“In Situ Synthesis of Mechanically Robust, Transparent Nanofiber-Reinforced Hydrogels for Highly Sensitive Multiple Sensing”为题,报道了一种具有机械和电子稳定性的透明纳米纤维增强的SFRHs水凝胶。

研究团队将二氧化硅纳米纤维、乙烯基硅烷巧妙地整合入海藻酸钠(SA)/聚丙烯酰胺(PAM)水凝胶中,制备了一种透明纳米纤维增强的SFRHs水凝胶,其中PAM链通过硅烷共价连接到二氧化硅纳米纤维上,形成坚固的界面化学键。此外,二氧化硅纳米纤维和PAM链之间的界面提供了非共价的相互作用(例如氢键),在拉伸过程中可能会断裂和重组,耗散能量并使水凝胶网络均匀化。


SFRHs的制备


二氧化硅纳米纤维的高长径比和纳米纤维与水凝胶网络之间稳定的界面结合,都有助于SFRHs具有优异的力学性能。研究团队首先制备了不含硅烷的硅纳米纤维增强水凝胶,界面上只存在物理键合,将此水凝胶记为p-SFRHs。当硅纳米纤维的长径比从50增加到400时,其力学强度有较大提高(从0.11 MPa增加到0.24 MPa),这可能与界面强度的提高有关。

为了提高界面负载传递效率,在纳米纤维和水凝胶基体之间引入TMSPMA,将此水凝胶记为c-SFRHs。c-SFRHs的力学强度为0.3 MPa,应变为1400%, 杨氏模量为0.11 MPa,其高模量是远远优于现有的具有相似的高含水量的可拉伸坚韧水凝胶。

为了深入了解纳米纤维的增强机制,采用全原子分子动力学(MD)模拟方法,量化了L/d比和共价键对sfrh界面性能的影响。两种具有不同L/d比的硅纳米纤维p-SFRH5、p-SFRH10,以及额外引入TMSPMA的c-SFRH10被作为三种模型。结果发现随着L/d比的增加,相互作用能从1135增加到2241 kJ·mol-1,表明物理相互作用增强,如范德华力、库仑力,以及硅纳米纤维和水凝胶基质之间的氢键。引入稳定的共价键后,复合水凝胶的界面能显著提高到4000 kJ·mol-1。此外,对三种模型的界面摩擦进行了拉拔模拟,以动能损失为基础,计算了三种模型的界面摩擦力。c-SFRH10的最大摩擦力为3.34 nN (p-SFRH5和p-SFRH10分别为1.06和1.87 nN)。这种巨大的摩擦力使得硅纳米纤维和水凝胶基体之间很难发生滑动,这与观察到的c-SFRHs表现出最高的模量和强度是一致的。


SFRHs力学特性和强化机制


与p-SFRHs的小滞后相比,c-SFRHs在加卸载循环实验中表现出更大的滞后,而卸载后的永久变形几乎可以忽略不计,突出了其韧性和超弹性。经过1000次循环拉伸试验后,c-SFRHs的杨氏模量、最大应力和能量损失系数均没有显著下降。与脆性的传统水凝胶相比,SFRHs显示出强大的压缩回弹性和高压缩应力(90%应变时为2.6 MPa)。此外,它们可以在如此大的应变下被反复压缩而不会发生结构坍塌。另外,实验发现随着二氧化硅纳米纤维含量的增加,阻抗逐渐降低,表明SFRHs的离子电导率呈不断增加的趋势。离子电导率的提高归因于两个效应:首先,非导电性二氧化硅纳米纤维在复合水凝胶中占有较小的体积,确保了离子在水中的高迁移率。其次,具有高长径比和酸性表面(-OH基)的二氧化硅纳米纤维吸引反离子,在整个水凝胶中形成一个连续的高导电通道。


SFRHs的超弹性和离子电导率


SFRHs在较宽的传感范围内具有较高的灵敏度和循环稳定性,可用于监测人体运动和脉搏跳动。SFRHs能够有效监测复杂而微小的外界刺激,比如书写字迹等等,这在字迹防伪等领域有重要的潜在应用价值。


SFRHs的传感性能


论文题目:In Situ Synthesis of Mechanically Robust, Transparent Nanofiber-Reinforced Hydrogels for Highly Sensitive Multiple Sensing

DOI: 10.1002/adfm.202103117


(来源:高分子科学前沿)


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