摘要

儘管存在於生物系統中，但開發由離子鍵和金屬-配體鍵構成的合成聚兩性電解質 (PA) 水凝膠仍然具有挑戰性。最近，湖北工業大學黃以萬副教授、李學鋒教授團隊提出了一種簡單的二級平衡方法，透過離子鍵和金屬-配體鍵的協同作用來製造強韌的 PA 水凝膠。

最初的 PA 凝膠（由離子鍵構成）首先在多價金屬離子溶液中透析以達到溶脹平衡，然後轉移到去離子水中以透析多餘的遊離離子以達到新的平衡。透過這種方法，可以最佳化原始 PA 凝膠網路並最終透過離子鍵和金屬-配體鍵構建，從而實現協同增強。透過選擇不同的原始 PA 凝膠系統和不同的多價金屬離子，證明所提出的方法可推廣到製造強韌的 PA 凝膠。此外，即使在水平衡狀態下，水凝膠也具有穩定的離子電導率，這使它們有望用作應變感測器。還討論了粘彈性模型對水凝膠機械效能的粘彈性和彈性貢獻，以進一步瞭解強化和增韌機制。所提出的策略簡單但有效，可用於實現堅固且堅韌的 PA 基水凝膠。這項研究還為電解質環境中的 PA 水凝膠提供了新的見解。相關論文以題為Strong Tough Polyampholyte Hydrogels via the Synergistic Effect of Ionic and Metal–Ligand Bonds發表在《Advanced Functional Materials》上。

主圖

圖1 透過二級平衡方法透過離子鍵和金屬-配體鍵的協同作用設計和製造強韌聚兩性電解質 (PA) 水凝膠的示意圖。a) 擬議方法的設計。“ASP”(i,iii) 和“WEQ”(ii,iv) 分別表示“製備好的”和“水平衡的”。相應的反離子未顯示在方案中。b) 本工作中使用的單體 (i) 和多價金屬離子 (ii) 的化學結構。c) 在強韌的 PA 凝膠中可能形成的動態鍵 (i,ii)。

水凝膠的製備和表徵

圖2 ASP-PA 凝膠、WEQ-PA 凝膠、ASP-PA-Fe3+ 凝膠和 WEQ-PA-Fe3+ 凝膠樣品的溶脹動力學、結構和力學比較。原始的 PA 凝膠是 P(NaSS-co-DMAEA-Q) 凝膠。透析液的 CFeCl3 為 0.7 m。a) 樣品的宏觀照片。b) 樣品的體積溶脹比 (Qv) 與透析時間 (tdia)。c)接觸角影象 (i-iv) 和 d) 樣品的詳細資料。e) SEM 影象 (i-iv) 和 f) 估計的樣品孔徑。g) 拉伸應力-應變曲線和 h) 樣品的詳細資料 (i-iii)。

透析液中Fe3+濃度的影響

圖3 PA 水凝膠在不同 CFeCl3 的 FeCl3 溶液中的溶脹行為和 FTIR 光譜。在這裡，原始的 PA 凝膠是 P(NaSS-co-DMAEA-Q) 凝膠。a) 凝膠在不同 FeCl3 溶液中的宏觀照片，即 ASP-PA-Fe3+ 凝膠。b) ASP-PA-Fe3+ 凝膠(i)和 WEQ-PA-Fe3+ 凝膠 (ii) 與 CFeCl3 的 Qv。黃色實線代表兩種透析介質中的Qv差異。c) 具有不同 CFeCl3 的 WEQ-PA-Fe3+ 凝膠的 FTIR 光譜。

圖4 WEQ-PA-Fe3+ 水凝膠樣品在不同 CFeCl3 的 FeCl3 溶液中的拉伸和撕裂行為。原始的 PA 凝膠是 P(NaSS-co-DMAEA-Q) 凝膠。a) 樣品的拉伸應力-應變曲線和 b) 相應的楊氏模量，c) 拉伸斷裂強度，以及 d) 拉伸功與 CFeCl3 的關係。e,f) 樣品的撕裂力與位移曲線以及相應的撕裂能與 CFeCl3 的關係。

圖5 WEQ-PA-Fe3+ 水凝膠的自我恢復和抗疲勞行為。

擬議方法的通用性

圖6 具有不同 CFeCl3 的 WEQ-PA-Fe3+ 水凝膠樣品的拉伸行為。這裡，原來的 PA 凝膠是 P(NaSS-co-MPTC) 凝膠。a) 拉伸應力-應變曲線。b) 楊氏模量，c) 拉伸斷裂強度，以及 d) 樣品相對於 CFeCl3 的拉伸功。

圖7 WEQ-PA-Mn+ 水凝膠樣品的拉伸效能。

作為應變感測器的演示

圖8 演示 WEQ-PA-Fe3+ 水凝膠作為應變感測器。

總結

團隊開發了一種簡單的二級平衡方法，透過離子鍵和金屬-配體鍵的協同作用來製造強韌的 PA 水凝膠。在這種方法中，最初的 PA 凝膠首先在多價金屬離子溶液中透析以達到溶脹平衡，然後轉移到去離子水中以透析過量的遊離離子以達到新的平衡。透過這種方法，可以最佳化原始 PA 網路，並最終透過離子鍵和金屬-配體鍵構建。首先選擇了模型原始 PA（即 P(NaSS-co-DMAEA-Q)）凝膠和模型多價金屬離子（即 Fe3+）溶液來驗證這種方法。初步結果表明，所提出的方法可以顯著提高原始 PA 凝膠（僅具有離子鍵）的機械效能。團隊還研究了第一步中 CFeCl3 對凝膠機械效能的影響，發現 CFeCl3 可以顯著影響增強效率。當 CFeCl3 = 0.7 m 時，與原始 PA 凝膠相比，楊氏模量、拉伸斷裂強度和拉伸功分別顯著提高了 200%、192% 和 356%。與原始凝膠相比，最佳化後的凝膠的撕裂能也增加了 164% (CFeCl3 = 2.0 m)，顯示出更高的斷裂韌性。透過選擇另一種原始 PA（即 P(NaSS-co-MPTC)）凝膠系統和多種多價金屬離子（即 Al3+、Zn2+ 和 Ca2+），所提出的方法已被證明可推廣到製造強韌的 PA凝膠。此外，即使在水平衡狀態下，由於其穩定的離子電導率，所得水凝膠也具有良好的訊號傳輸，顯示出作為應變感測器的潛力。團隊還透過粘彈性模型討論了粘彈性和彈性對水凝膠機械效能的貢獻，以進一步瞭解強化和增韌機制。所提出的策略簡單但有效，可普遍適用於實現強韌的 PA 基水凝膠。同時，這項工作為電解質環境中基於 PA 的凝膠提供了一些見解。

參考文獻

doi.org/10.1002/adfm.202103917

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