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我校黄以万/李学锋课题组在高分子水凝胶强韧化研究方面取得最新进展

  出处:材料与化学工程学院   日期: 2021-07-03 23:31:12

近日,我校材料与化学工程学院、绿色轻工材料湖北省重点实验室、绿色轻质材料与加工协同创新中心黄以万/李学锋课题组在材料类国际重要期刊Advanced Functional Materials(《先进功能材料》,IF=18.81)在线发表高分子水凝胶强韧化方面的最新研究成果,相关论文题目为“Strong Tough Polyampholyte Hydrogels via the Synergistic Effect of Ionic and Metal–Ligand Bonds”(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103917)。我校为唯一署名单位,黄以万副教授和李学锋教授为共同通讯作者,黄以万副教授为第一作者,论文主要实验工作由硕士生肖龙亚(已被录取为华南理工大学博士研究生)完成,参与本研究工作的还有团队成员龙世军副教授、硕士生周菊、刘涛及本科生晏永奇。该研究工作获得国家自然科学基金(51903079, 52073083)、武汉市科学技术局应用基础前沿项目(2019010701011397)等项目的资助。成果在线发表后受到各类媒体的广泛关注,包括网易新闻(https://www.163.com/dy/article/GDTG0TJV05329TW8.html)、高分子科技、中国聚合物网及高分子前沿等多家追踪报道。

虽然存在于生物体系中,但是开发由离子键和金属配位键协同增强的聚两性电解质(Polyampholyte, PA)水凝胶网络仍具有挑战性。尽管金属配位键交联增强普通聚电解质水凝胶是目前通常采用的手段之一(如Fe3+交联的聚丙烯酸水凝胶),但PA水凝胶在金属盐溶液中表现出显著的“反聚电解质效应”,导致随着金属离子浓度升高水凝胶样品表现出显著的体积溶胀和力学弱化行为。

为了实现由离子键和金属配位键协同增强增韧PA水凝胶的目的,该研究工作提出了一种简单的“二次平衡方法”。在该方法中,首先将由离子键构成的原始PA水凝胶浸泡于具有配位能力的多价金属离子溶液中透析直至溶胀平衡,然后将上述平衡的水凝胶浸泡于去离子水中透析除去自由的金属离子(及其反离子)直至再次达到平衡,最后得到强韧性PA水凝胶。该方法在PA水凝胶网络中同时引入了离子键和金属配位键,能够有效地优化水凝胶网络结构,实现协同强韧化的目的。

该研究工作通过选择不同的原始PA水凝胶体系和不同的多价金属离子,验证了所提出方法具有一定的普适性。值得一提的是,尽管所制备的水凝胶样品含有约50 wt%的水分,其最高杨氏模量仍然可达19.9±0.3 MPa,拉伸断裂强度可达4.2± 0.1MPa,拉伸断裂功可达10.5±0.6 MJ/m3,同时水凝胶样品还可保持较高的可拉伸性(ε= 4.6± 0.1 m/m)。此外,提高水凝胶离子导电性的常用方法之一是在水凝胶网络中引入可自由迁移的盐离子,但此类水凝胶可能在水环境中导电性不稳定;通过该研究工作所提出的方法有效地避免了这一问题,所制备的水凝胶即使在水中平衡状态下也表现出稳定的离子导电性,在应变传感器领域表现出应用前景。

该课题组所属微纳米及软物质团队,李学锋教授为PI负责人,主要从事高分子软物质新材料的基础和应用研究,其中高分子水凝胶材料主要研究方向有水凝胶的高性能化及其功能化。近年来,该团队主持国家自然基金项目6项、省部级科研项目与横向科研项目20余项,在专业期刊发表学术论文100余篇,获授权中国发明专利近30项,其中李学锋教授入选“英国皇家化学会2019 Top 1% 高被引作者”。



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