水凝胶是具有高含水量的聚合物网络，其因出色的组合特性被广泛应用于可穿戴离子/电子设备、软机器人、组织工程、药物输送、光纤和3D打印材料等。水凝胶的寿命和耐用性取决于其在可变机械载荷下的抗断裂能力。然而，由纯化学或物理交联网络产生的传统水凝胶在可变机械载荷下容易断裂。因此，具有强大机械强度、优异变形性、抗溶胀性能和自愈性能的水凝胶网络是理想选择，它们能够在应用过程中耗散能量并保持结构完整性。
图1强酸实现丙烯酸钠凝胶网格综合性能提升
近日，我院谭帅副教授开发了一种强酸耦合机械训练实现聚丙烯酸钠水凝胶综合性能强化的新策略。通过将聚丙烯酸钠水凝胶浸入4 M H2SO4溶液中，强酸溶液耦合机械训练会促使聚丙烯酸钠网络逐渐转化为聚丙烯酸网络，从而形成丰富的动态氢键相互作用。氢键作用赋予了酸浸泡的聚丙烯酸钠水凝胶出色的抗溶胀和自愈性能，并显著提升了其机械性能。相关工作以“Strong Acid Enabled Comprehensive Training of Poly (Sodium Acrylate) Hydrogel Networks”发表在《Angewandte Chemie International Edition》。
图2基于强酸强化丙烯酸钠凝胶网格的效果
图3基于强酸浸泡强化丙烯酸钠凝胶机械性能
通过将丙烯酸钠水凝胶网格浸入4M浓硫酸，在丙烯酸钠聚合物网络表面构建致密的氢键，实现凝胶力学性能的强化，同时赋予凝胶网格抗溶胀性能和自修复性能。在此基础上，进一步通过循环载荷实现丙烯酸钠强酸水凝胶的力学性能强化。经过循环机械拉伸/释放训练后，含酸水凝胶由外到内逐步实现了聚丙烯酸钠网络到聚丙烯酸网络的转变。酸辅助机械训练进一步改善水凝胶机械性能，经过完全训练的水凝胶，其杨氏模量、断裂应力和断裂韧性较初始的聚丙烯酸钠水凝胶分别提高了187.6倍、35.6倍和5.4倍。此外，水凝胶的酸辅助训练策略可以通过NaOH中和可逆地回收，并且该方法在聚丙烯酸钠水凝胶网络中具有普适性。
图4基于循环机械训练进一步强化丙烯酸钠凝胶机械性能
总结：该研究为聚丙烯酸钠水凝胶的改性提升提供了一种新的思路和方法，加深了对水凝胶拓扑结构的理解，为水凝胶在柔性电子器件、软体机器人、组织工程等领域的应用提供了新的方法。本研究项目得到了国家自然科学基金（22178235，21805199），四川省自然科学基金和四川大学青年科级领军人才培育项目和“化工之星”人才项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202406407
谭帅撰稿
钮大文审核
高敏编辑
2024年6月19日
