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中南民大張道洪教授/姜宇副教授團(tuán)隊(duì) Angew：基于超支化結(jié)構(gòu)構(gòu)建高強(qiáng)高韌水凝膠
2023-09-05  來(lái)源：高分子科技

  水凝膠因具有高吸水性、柔軟性、可塑性等性能特點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用前景而受到越來(lái)越多的關(guān)注。然而，水凝膠的應(yīng)用往往受到其機(jī)械性能缺陷的限制，如強(qiáng)度較低和韌性較差等。近年來(lái)，多種合成策略被用于開(kāi)發(fā)新型高性能水凝膠，如構(gòu)建多重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，引入動(dòng)態(tài)相互作用（離子鍵、氫鍵、配位鍵等），開(kāi)發(fā)新型交聯(lián)劑等。其中，多重網(wǎng)絡(luò)水凝膠的構(gòu)建往往涉及到復(fù)雜的多步合成。與之相比，在水凝膠中引入動(dòng)態(tài)相互作用或新型交聯(lián)劑是提高其機(jī)械性能的更簡(jiǎn)單有效的方法。近日，中南民大超支化聚合物團(tuán)隊(duì)張道洪教授、姜宇副教授和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)Nikos Hadjichristidis教授合作，在基于超支化大分子交聯(lián)劑構(gòu)建高強(qiáng)高韌水凝膠方面取得了新的研究進(jìn)展，相關(guān)成果以“Strong and Ultra-tough Ionic Hydrogel Based on Hyperbranched Macro-cross-linker: Influence of Topological Structure on Properties”為題，發(fā)表在國(guó)際著名期刊《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angew. Chem. Int. Ed. 10.1002/anie.202310832），化材學(xué)院姜宇副教授為論文第一作者和通訊作者，張道洪教授為共同通訊作者。


  超支化聚合物作為一種高度支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的聚合物，因其優(yōu)異的溶解性、低粘度和大量末端基團(tuán)等優(yōu)點(diǎn)而在藥物載體、結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。近年來(lái)，張道洪教授團(tuán)隊(duì)在超支化聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控（Angew. Chem., 2022, 61, e202211713; 2021, 60, 331；Chem. Eng. J: 2018, 334, 1371; 2020, 387,124071）、超支化環(huán)氧樹(shù)脂及復(fù)合材料（Nat. Sustain., 2020, 3, 29；ACS Macro Lett, 2021, 10, 1113; Macromolecules, 2022, 55, 595; Chem. Eng. J.: 2023, 465, 142998; 2023, 471, 144329; Prog. Mater. Sci. 2022, 130, 100977)、超支化聚合物材料循環(huán)利用（Macromolecules, 2023, 56, 5290; ACS Sustain. Chem. Eng., 2023, 11, 11077）等領(lǐng)域取得了一系列研究進(jìn)展，促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域快速健康發(fā)展。本文是該團(tuán)隊(duì)在超支化聚合物材料領(lǐng)域的又一研究成果，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)引入水凝膠材料中，超支化分子非纏結(jié)幾何形狀可增強(qiáng)柔性聚合物鏈的鏈段運(yùn)動(dòng)能力，豐富的端基則可以有效地提供足夠的交聯(lián)位點(diǎn)，從而賦予水凝膠優(yōu)異的強(qiáng)度、拉伸性和韌性。


  本工作首先合成了羧基官能化和丙烯；舛说某Щ奂簝(nèi)酯，以其用作大分子交聯(lián)劑，引入聚丙烯酸-丙烯酰胺水凝膠中。超支化分子的末端丙烯；曰瘜W(xué)方式結(jié)合到網(wǎng)絡(luò)中，形成共價(jià)交聯(lián)，有助于形成堅(jiān)固的網(wǎng)絡(luò)。疏水的聚己內(nèi)酯鏈自發(fā)聚集形成的疏水結(jié)構(gòu)域，以及羧基形成配位鍵提供動(dòng)態(tài)非共價(jià)交聯(lián)作用，增強(qiáng)能量耗散能力。文中詳細(xì)探究了超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)水凝膠機(jī)械性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)與線性結(jié)構(gòu)的大分子交聯(lián)劑相比，使用超支化大分子交聯(lián)劑可使水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的增強(qiáng)和增韌效果。通過(guò)調(diào)節(jié)超支化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可在較寬范圍內(nèi)調(diào)控水凝膠的力學(xué)性能，其中適中的支化度和端基修飾度可賦予凝膠最優(yōu)的共價(jià)/非共價(jià)交聯(lián)平衡，從而獲得最優(yōu)的拉伸強(qiáng)度和韌性。使用該水凝膠作為應(yīng)變傳感器時(shí)，超支化交聯(lián)劑還賦予其比線形交聯(lián)劑交聯(lián)的水凝膠更高的靈敏度。


 圖1. 超支化水凝膠AxPCLy-Gz的制備示意圖。



 圖2. 超支化水凝膠AxPCLy-Gz的優(yōu)異的機(jī)械性能。



 圖3. 超支化水凝膠AxPCLy-Gz應(yīng)力-應(yīng)變曲線。



 圖4. 超支化水凝膠AxPCLy-Gz的微觀結(jié)構(gòu)表征。



 圖5. 超支化水凝膠AxPCLy-Gz的微觀結(jié)構(gòu)表征。



 圖6. 超支化水凝膠AxPCLy-Gz的微觀結(jié)構(gòu)示意圖。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202310832

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