扬州大学吴德峰/解文媛团队：多尺度的纤维素网络提升水凝胶综合性能

受软猬甲“整体柔性，局部刚性”结构的启发，扬州大学吴德峰/解文媛团队提出了构建细菌纤维素(BC)动态交联网络的策略，在提高丙烯酰胺(PAM)水凝胶强度的同时也极大提升了可变形性。其中，BC交联网络具有多层次的结构特点，不同层次的结构扮演着不同的角色（图1）：1）整体柔性的交联BC网络赋予了水凝胶材料优异的拉伸变形能力(达7710%)；2）BC纤维的高强度，使水凝胶展现出优异的耐切割和抗裂撕裂性能；3）硼酯键作为弱键扮演了“牺牲”键的角色，大幅提升了水凝胶的耐疲劳性；4）动态硼酯键解构/重构释放出的硼酸根离子，不仅赋予了水凝胶温度敏感的离子导电的特性，还大幅提升水凝胶的抗冻性。

图1.多尺度的交联细菌纤维素网络扮演了不同的角色

该工作通过原位聚合的策略，制备了具有两种特征交联结构的水凝胶：硼酯键交联的BC网络与共价键交联的PAM网络形成互穿网络(图2a)，由此得到的复合水凝胶展现出良好的耐切割性能(图2b)。

图2.PAM/BC-borax复合水凝胶的合成路径和特征网络

受交联BC网络“整体柔性”的影响，水凝胶在拉伸过程中展现出出色的变形能力。如图3a所示，水凝胶断裂应变的最高值可到7710%。比纯PAM 水凝胶提升了1倍。同时，屈服强度也提升8倍(图3b, c)。此外，循环拉伸实验给出的水凝胶弹塑性的信息可用于甄别BC网络的“整体柔性”(图3d-i)。

图3.PAM/BC-borax纳米复合水凝胶的力学性能

受BC “局部刚性”的影响，水凝胶的抗撕裂能力也得到了很大提升。如图4a所示，裂纹在扩展过程中遇到高强度的BC纤维，裂纹前端产生扰动和偏移 (图4c)，导致水凝胶断口截面的不规则程度以及断裂功的急剧增加(图4e,f)。

图4.PAM/BC-borax纳米复合水凝胶的断裂行为

由于用于构筑硼酯键的硼砂是一种钠盐。电离之后释放出多种离子，不仅赋予了水凝胶离子导电的特性，也大幅改善了水凝胶的耐低温性能。随硼砂含量升高，水凝胶的冰点持续下降，在测试温度区间(-70~10℃)内无相变（图5a），且在低温下水凝胶也能够表现出“应变-电阻”效应(图5c),因此可在低温下作为应变传感器使用。

图5.PAM/BC-borax纳米复合水凝胶的耐低温性能

该工作为合成综合性能优异的水凝胶提供了一个有趣的视角，即通过构建动态共价交联的增强相宏观网络，同时提升基体的机械性能，环境适应性以及导电性。该工作发表于ACS Sustainable Chemistry & Engineering，扬州大学化学化工学院的博士研究生蒋晨光为第一作者，解文媛老师和吴德峰教授为通讯作者。

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