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阿克倫大學(xué)鄭潔教授課題組 ACS Macro Lett.: 獨(dú)特的聚合反應(yīng)誘導(dǎo)宏觀相分離并直接構(gòu)筑雙層結(jié)構(gòu)的水凝膠
2023-04-20  來源:高分子科技

  雙層水凝膠是一種獨(dú)特的軟材料,在領(lǐng)域內(nèi)經(jīng)常被賦予各種刺激響應(yīng)功能,可實(shí)現(xiàn)按需形狀轉(zhuǎn)換和變形,目前已廣泛應(yīng)用于人造肌肉、軟電子和人機(jī)界面等的設(shè)計(jì)。制備雙層水凝膠的常規(guī)策略通常涉及兩步或多步的逐層聚合。例如,常規(guī)制備過程包含兩步: (i) 聚合形成第一層水凝膠; (ii) 將第一層浸入第二層的前驅(qū)體溶液中,然后原位引發(fā)、聚合以形成第二層水凝膠。雖然這種逐層聚合策略對(duì)于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑十分有效,且適用于范圍廣泛的單體和交聯(lián)劑;但逐步聚合存在某些固有的缺點(diǎn),即第二層的預(yù)聚液不可避免地?cái)U(kuò)散并溶脹第一層凝膠,這一過程往往無法精確控制,因此導(dǎo)致水凝膠界面產(chǎn)生不均勻的互穿網(wǎng)絡(luò)和異質(zhì)缺陷。進(jìn)一步地,雙層界面處的結(jié)構(gòu)不匹配極易導(dǎo)致緩慢的響應(yīng)能力、弱界面結(jié)合力甚至層間脫離, 難以實(shí)現(xiàn)水凝膠的可持續(xù)應(yīng)用。目前,為了解決這一問題,研究人員通常將提高界面粘附力和力學(xué)強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn),在凝膠層間引入高度可逆的化學(xué)鍵(如離子締合、超分子相互作用、氫鍵等)。


  近日,鄭潔教授課題組“宏觀相分離”概念上又報(bào)告了一種新拓展 通過控制二元聚合反應(yīng)系統(tǒng)中的自由基聚合/凝膠化過程來產(chǎn)生宏觀相分離現(xiàn)象,直接構(gòu)筑雙層結(jié)構(gòu)的水凝膠(一鍋法)。為了實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì),從凝膠化的角度來看,兩種選定的單體應(yīng)該相互兼容,以便在某些外部刺激下在同一前驅(qū)體溶液中進(jìn)行自由基聚合。同時(shí),兩種聚合單體的物理化學(xué)性質(zhì)應(yīng)保證有足夠的差異,實(shí)現(xiàn)后續(xù)的相分離以形成兩個(gè)水凝膠層。


1通過自由基聚合差異誘導(dǎo)宏觀相分離策略制備雙層水凝膠。  


  在通過一系列不同的單體進(jìn)行預(yù)篩選后,作者確定了一類乙烯基單體和一類兩性離子苯乙烯基單體,用于通過聚合誘導(dǎo)的宏觀相分離機(jī)制制備雙層水凝膠(乙烯基和苯乙烯基單體都具有良好的水溶性)。聚乙烯基(例如 pNIPAM)鏈段具有典型的熱響應(yīng)性,具有從親水性(<LCST)到疏水性(LCST)的相轉(zhuǎn)變過程,而同時(shí)結(jié)構(gòu)性聚苯乙烯基兩性離子網(wǎng)絡(luò)(pVBPS)表現(xiàn)出離子強(qiáng)度依賴性。經(jīng)一鍋法制備得到的 pNIPAM-pVBPS 雙層水凝膠由 LCST 層(PNIPAM主導(dǎo))和兩性離子層(PVBPS主導(dǎo))組成,兩層之間具有無縫界面,并且通過控制自發(fā)的宏觀相分離在多長(zhǎng)度尺度上可編程層厚度。


2雙層 pNIPAM/pNIPAM-pVBPS 水凝膠的結(jié)構(gòu)和化學(xué)表征。 


3宏觀相分離策略用于制備雙層水凝膠的通用性。


  有趣的是,利用這個(gè)策略,作者還展示了近40種不同的雙層結(jié)構(gòu)的水凝膠組合。針對(duì)乙烯基類的單體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分類(丙烯酰胺類,丙烯酸酯類,叔胺類等),并對(duì)各分類下的二元體系進(jìn)行了分層效率的探討。該反應(yīng)誘導(dǎo)宏觀相分離策略首次展示了一種新的設(shè)計(jì)原理和途徑,用于制造具有可控拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)、多尺度層次結(jié)構(gòu)和刺激響應(yīng)功能的雙層結(jié)構(gòu)材料,為軟智能提供了一個(gè)多功能和可編程的平臺(tái)材料及其應(yīng)用。


4不同乙烯基單體(種丙烯酰胺、種丙烯酸和 種叔胺衍生物)在通過反應(yīng)誘導(dǎo)宏觀相分離合成雙層水凝膠時(shí)的層分離效率-化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系。


  該最新基礎(chǔ)研究成果《Bilayer Hydrogels by Reactive-Induced Macrophase Separation》日前在線發(fā)表于高分子頂級(jí)期刊ACS Macro Letters (封面文章),論文的通訊作者為鄭潔教授,第一作者為阿克倫大學(xué)博士畢業(yè)生張冬。截止目前,該領(lǐng)域內(nèi)已有兩種完全不同的宏觀相分離現(xiàn)象報(bào)告,以極其簡(jiǎn)易的方法實(shí)現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)的自發(fā)分離、直接制備(參見上月發(fā)表的Multiscale Bilayer Hydrogels Enabled by Macrophase Separation. Matter. 2023. DOI: 10.1016/j.matt.2023.02.011),在此,期待更多的基礎(chǔ)性策略和有趣的多尺度應(yīng)用在雙層水凝膠、雙層彈性體、玻璃體等前沿聚合物材料上得到突破。


  全文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.3c00149 

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