可拉伸超韌水凝膠的制備和應(yīng)用

盛 卉, 薛 斌, 秦 猛, 王 煒, 曹 毅

(南京大學(xué)物理學(xué)院, 固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,先進(jìn)材料協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210093)

水凝膠(Hydrogel)是一類具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物, 含有親水基團(tuán)且能被水溶脹, 含水量通常為50%～99.9%[1]. 水凝膠具備良好的生物相容性、 交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控性、 對外界刺激(如酸堿度、 光照和溫度等)響應(yīng)性及分子滲透性等特點(diǎn)[2], 因此可廣泛應(yīng)用于組織工程[3,4]、 黏合材料[5,6]、 藥物運(yùn)輸[7,8]、 隱形眼鏡[9]、 護(hù)膚修復(fù)[10,11]、 人工肌肉[12,13]、 軟體機(jī)器人[14,15]、 傳感器[16,17]及電化學(xué)裝置[18,19]等領(lǐng)域.

目前, 大多數(shù)傳統(tǒng)的水凝膠質(zhì)地柔軟易碎, 通常具有小于1 MPa的斷裂應(yīng)力、 低于100%的應(yīng)變及約為10 J/m2的斷裂韌性, 這些力學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)低于一些天然材料(軟骨的斷裂韌性約1 kJ/m2[20], 天然橡膠的斷裂韌性約10 kJ/m2[21]). 傳統(tǒng)水凝膠因不均勻的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、 缺乏有效的防止裂紋擴(kuò)展及應(yīng)力集中的能量耗散機(jī)制而表現(xiàn)出較低的韌性, 導(dǎo)致水凝膠在受到外力作用時(shí), 應(yīng)力在非均勻網(wǎng)絡(luò)中的傳遞快速集中于結(jié)構(gòu)缺陷處或弱交聯(lián)點(diǎn)處, 致使裂紋迅速擴(kuò)展, 水凝膠發(fā)生破裂, 嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用[22,23]. 設(shè)計(jì)具有可拉伸性能的高韌性水凝膠是解決上述問題的關(guān)鍵. 可拉伸超韌水凝膠具備優(yōu)良的延展性、 高韌性、 抗壓性及自修復(fù)能力[24,25]. 從水凝膠結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系來看, 交聯(lián)點(diǎn)的密度與動態(tài)特性[26,27]、 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的均勻性[28]、 高分子鏈的密度與柔性[29,30]等都會影響水凝膠的力學(xué)強(qiáng)度. 為了提高水凝膠的機(jī)械性能和韌性, 對水凝膠網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)……