研究背景

水凝膠含有大量的水，具有三維網狀結構，在軟體機器人、再生醫學、組織工程、離子微器件等方面具有廣闊的應用前景。然而，大多數現有的水凝膠機械薄弱，易碎，拉伸性差。受天然韌帶設計的啟發，將纖維（如聚乳酸纖維、玻璃纖維、鋼絲絨纖維和間位芳綸纖維）引入水凝膠已成為制造高性能水凝膠的實用方法。Gong等人將市售的玻璃纖維機織織物與堅韌的聚兩性聚合物水凝膠相結合作為基體相，發現這種組合顯著提高了有效撕裂能，最高可達250000 J/m2。同樣，Suo使用聚n -異丙基丙烯酰胺(PNIPAAm)/殼聚糖水凝膠和聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維開發水凝膠-網狀復合材料（HMC），有效地在大面積上分配力。然而，這些硬纖維復合水凝膠雖然堅固，但通常表現出低拉伸性。最近，我們展示了一類新的超分子海藻酸鈉（SA）納米纖維雙網絡（DN）水凝膠，具有提高的強度和拉伸性。盡管取得了這些進步，但纖維的極薄和其內部的弱氫鍵導致其強度和拉伸性仍然不夠。因此，整合平衡強度和拉伸性的水凝膠仍然是一個重大挑戰。

文章亮點

強而可拉伸的水凝膠需求量很大，但由于強度和拉伸性之間的權衡，具有挑戰性。本文以膨化海藻酸鈣纖維（CAF）為第一耗能網絡，成功制備了具有高強度和可拉伸性的海藻酸鈉/聚丙烯酰胺（SA/PAM）雙網（DN）水凝膠。膨脹纖維具有兩種功能：均相SA離子交聯聚合物網絡和軟纖維增強。與硬纖維相比，軟纖維提供了更有效的能量耗散從軟纖維到液體水凝膠的傳遞。所制備的水凝膠具有高拉伸強度（0.83 MPa）、高拉伸率（4230%）和高韌性（15.7 MJ/m3），分別是SA/PAM水凝膠的5倍、3倍和14倍。這種軟纖維增強策略為制備高性能水凝膠提供了新的途徑，拓寬了其應用領域。

結果解析

圖1.纖維形態及水凝膠的制備工藝。(a)結構。(b) Macrophotograph。(c) CAF的偏光顯微鏡。(d)高性能CAF/PAM水凝膠的設計和機理示意圖。CAF溶液（0.75 wt%） (e)和CAF/PAM水凝膠(f)膨脹后冷凍干燥后的CAF掃描電鏡圖像。

圖2. SA和CAF水溶液的流變行為。(a)不同含量的SA和CAF溶液的顯微照片。（瓶子的樣品從左到右分別為0.75 wt% SA, 0.90 wt% SA, 0.45 wt% CAF, 0.60 wt% CAF, 0.75 wt% CAF, 0.90 wt% CAF） (b) SA和CAF水溶液的穩態粘度與剪切速率的關系。(c) SA和CAF水溶液的存儲模量（G0）和損耗模量（G00）隨角頻率的變化曲線。(d) CAF溶液（0.75 wt%）承受10000%應變處理的剪切恢復試驗（G0-紅，G00-藍），（高振幅振蕩參數：γ?10000%，ω?10 rad s-1，低振幅振蕩參數：γ?0.5%,ω?10 rad s-1）。

圖3. (a) SA/PAM, (b) SA/PAM/Ca2t水凝膠和(c) CAF/PAM水凝膠的SEM圖像。(d)腫脹行為。

結論與展望

綜上所述，我們成功地制備了一種基于CAF纖維代替原始SA的均相DN水凝膠。制備的水凝膠力學性能優于普通的SA/PAM DN水凝膠。在充分交聯并經歷張力后，CAF纖維有助于形成第一個均勻的物理網絡。與初始長度相比，它們可以拉伸超過42倍，韌性為~15.7 MJ/m3。該水凝膠的拉伸性能是所有基于SA的DN水凝膠中最大的。在大應變3000%和壓縮應變90%的松弛循環后，水凝膠保持穩定，具有良好的愈合能力。本研究為合成具有高拉伸韌性的sa基水凝膠提供了積極的探索。它將在需要更高機械性能的領域擴展sa基水凝膠。

https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.10.007