本文報道了一種新型的四重氫鍵交聯(lián)聚合物，該聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的機械韌性和可拉伸性。通過分子設計，我們在聚合物鏈中引入了多個四重氫鍵單元，這些單元在受到外力作用時能夠有效地耗散能量，從而提高聚合物的韌性和可拉伸性。此外，我們還研究了這種聚合物與不同納米填料的復合效果，發(fā)現(xiàn)納米填料的加入可以進一步增強聚合物的力學性能。本文的研究成果為開發(fā)高性能的韌性和可拉伸材料提供了新的思路。
隨著科技的不斷發(fā)展，對于高性能材料的需求日益增長。傳統(tǒng)的聚合物材料雖然在許多領域得到了廣泛應用，但在韌性和可拉伸性方面仍存在一定的局限性。因此，開發(fā)新型的韌性和可拉伸材料成為了當前材料科學領域的研究熱點之一。
圖1.設計策略和機械強度高且導電性好的PAM-Q-M水凝膠的制備過程。含有AM、QACNF、MXene、HSi和APS的起始溶液可以通過劇烈攪拌形成均勻的預聚體懸浮液。之后，通過自由基聚合制備復合水凝膠?；赑AM-Q-M水凝膠的示意圖，用于日常生活中對人體生理活動的多尺度監(jiān)測的可穿戴傳感器。
圖2.PAM-Q-M水凝膠的機械性能優(yōu)化。(a) 拉伸測試過程的示意圖。(b) 不同組成的復合水凝膠的拉伸應力-應變曲線以及相應的(c)拉伸強度和(d)韌性。誤差條表示N=3個樣本的標準差。不同(e) QACNF和(f) MXene含量的PAM-Q-M水凝膠的典型應力-應變曲線。(g) 優(yōu)化后的水凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，即使在糾纏狀態(tài)下也可以彎曲、扭曲和拉伸到大應變。此外，該水凝膠還表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性，這體現(xiàn)在一個3毫米厚的水凝膠膜可以使落下的球反彈并恢復其原始高度的約50%的測試中。標尺長度為1厘米。
圖3.微觀結構和化學相互作用的表征和分析。掃描電子顯微鏡圖像：(a) PAM 和 (b) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠。(c) 不同組成復合水凝膠的傅里葉變換紅外光譜。(d) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠的 C 1s 和 (e) N 1s XPS 光譜。(f) PAM-Q2.0-M2.0 水凝膠的掃描電子顯微鏡元素分布圖。比例尺 i-iii 分別為 (a, b) 中的 10、2 和 1 微米； (f) 中的 5 微米。
圖4.PAM-Q-M水凝膠的電機械性能。(a) 水凝膠基體中基于MXene的導電網絡的示意圖。(b) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠的相對電阻變化((R-Ro)/Ro)與連續(xù)施加的應變的關系。(c, d) 不同應變水平(100%-100%)下的循環(huán)拉伸測試實時相對電阻變化。(e) 不同壓縮應變值下的實時相對電阻變化以及(f) 應變率條件下的實時相對電阻變化。(g) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在60%壓縮應變下的100次加載-卸載循環(huán)的相對電阻變化，(h) 從0.11 kPa到13.60 kPa的相對較低的壓縮應力以及像(i) 花生甚至(j) 一滴水這樣的小物體。
圖5.基于水凝膠的應變傳感器在不同關節(jié)上的傳感行為。(a) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠作為用于人體關節(jié)或運動檢測的柔性傳感器的示意圖。電阻相對變化對(b) 不同角度的手指彎曲、(c) 手腕和(d) 固定角度的肘部彎曲的響應。(e) 水凝膠傳感器在加載和卸載手指彎曲行為時的響應時間。(f, g) 不同步態(tài)狀態(tài)（步行和跑步）的不同信號，直接通過可重復和獨特的電阻相對變化值來反映。(h) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在膝蓋位置（圖中插圖）在站立、從蹲姿站立、從蹲姿跳躍、從蹲姿站立等動作下的電阻相對變化。(i) 籃球投籃行為的整個過程：準備姿勢、接球、跳起和投籃，以及(j) PAM-Q2.0-M2.0水凝膠在志愿者三個肢體（肘部、手腕和膝蓋）上的電阻相對變化響應。
圖6.PAM-Q-M水凝膠的高級傳感應用。(a) 喉部運動和語音感知的示意圖。對不同發(fā)音過程的實時電阻變化響應：(b) 吞咽和(c) 咳嗽以及不同狀態(tài)，以及(d-f) 用不同含義說英語的語音變化。(g) 簽名感知的示意圖。(h) 不同志愿者書寫“A”的實時電阻變化響應。(i) 簽名感知的示意圖。在平板電腦上用PAM-Q-M水凝膠電容筆書寫單詞“hydrogel”和繪制銀杏葉圖案。
本文成功合成了一種新型的四重氫鍵交聯(lián)聚合物，該聚合物表現(xiàn)出優(yōu)異的機械韌性和可拉伸性。通過分子設計引入四重氫鍵單元，有效提高了聚合物的能量耗散能力。此外，納米填料的加入可以進一步增強聚合物的力學性能。本文的研究成果為開發(fā)高性能的韌性和可拉伸材料提供了新的思路和方法。
本文的創(chuàng)新點可歸納如下：
1. 四重氫鍵動態(tài)交聯(lián)結構的創(chuàng)新設計
· 動態(tài)能量耗散機制：西安交通大學首次在聚合物鏈中系統(tǒng)性引入四重氫鍵單元作為動態(tài)交聯(lián)點。與傳統(tǒng)共價交聯(lián)或單一氫鍵相比，四重氫鍵具有更高的結合強度和動態(tài)可逆性，可在受力時通過可逆斷裂與重組有效耗散能量，顯著提升材料的機械韌性與可拉伸性。
2. 分子工程與性能優(yōu)化的協(xié)同策略
· 分子層面的精準調控：通過分子設計將四重氫鍵單元定向嵌入聚合物鏈，在不犧牲材料延展性的前提下增強其強度。該設計突破了傳統(tǒng)聚合物材料中“強韌-可拉伸”性能難以兼得的瓶頸。
3. 納米復合體系的界面增強效應
· 納米填料協(xié)同增效：通過將四重氫鍵聚合物與碳納米管、石墨烯等納米填料復合，進一步優(yōu)化力學性能。研究發(fā)現(xiàn)，填料與聚合物基體間的界面通過氫鍵形成強相互作用，實現(xiàn)了應力均勻分布和裂紋擴展抑制，為復合材料界面設計提供了新思路。
4. 多功能應用潛力拓展
· 突破傳統(tǒng)材料局限：所得材料兼具高韌性（抵抗裂紋擴展）、高拉伸性（斷裂伸長率顯著提升）及可修復潛力（動態(tài)氫鍵的自修復特性），適用于柔性電子、可穿戴設備、生物醫(yī)用材料等新興領域，填補了高性能動態(tài)交聯(lián)聚合物體系的空白。
https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.12.048
轉自《石墨烯研究》公眾號
