水凝膠同時具備高強韌性和高透明度，對于水凝膠在可穿戴設備和水下保護等實際應用方面至關重要。迄今為止，研究者們制備高強高韌水凝膠主要是通過將有效的能量耗散機制引入水凝膠網絡中，如引入靜電相互作用、氫鍵作用，形成結晶域，鹽析，機械拉伸，構建雙網絡和相分離等方法。通過這些策略制備的水凝膠的力學性能得到了極大改善，但是水凝膠如何在具有高強韌性的同時具備高透明度仍然是一個急需解決的難題。目前報道的許多水凝膠具有高強韌性，得益于它們均勻且緊密相連的網絡結構，此外水凝膠網絡均勻性提高有利于增強透明度。

基于此，中國科學技術大學江雷院士/趙創奇研究員團隊提出構建一種具有均勻且致密網絡結構的水凝膠，該水凝膠具有高強高韌和高水下透明度的特性，可附著在水下光學器件表面，起到防霧、防油、耐磨的作用。

研究團隊通過“超鋪展——退火——原位聚合”多種策略相結合，依次引入三重聚合物網絡，制備出網絡結構均勻致密且含有豐富氫鍵的水凝膠（圖1）。該水凝膠具有優異的力學性能，通過改變聚丙烯酰胺網絡的含量，調控體系的鏈纏結程度，水凝膠的拉伸強度和斷裂韌性可分別達到44.2 ± 1.0 MPa和153.0 ± 3.6 MJ m-3（圖2）。此外，鏈纏結的引入，有利于水凝膠能量耗散能力的提高。由于三重網絡結構均勻，水凝膠具有90%的水下高透明度；網絡結構致密以及大量氫鍵的存在，也賦予水凝膠高水下穩定性，在純水環境中拉伸強度可保持35.5 ± 0.8 MPa。

圖1. PVA/CA/PAAm水凝膠的制備

圖2. PVA/CA/PAAm水凝膠的力學性能

從微觀角度分析水凝膠具有高強韌性的內在機理（圖3）。SEM圖像表明，水凝膠具有均勻且致密的網絡結構，從而賦予水凝膠優異的力學性能。對不同拉伸程度的水凝膠進行SAXS測試，取向因子(f)隨著拉伸程度的增大而增大，表明拉伸過程中聚合物鏈段的取向度增大，有利于提高水凝膠的拉伸強度。圖3f展示了拉伸過程中水凝膠網絡的變化：首先對水凝膠施加較小的拉力，聚合物鏈滑移并將力傳遞給其他鏈段，有效避免應力集中現象，同時聚合物鏈段重新定向排列，水凝膠拉伸應力和強度得到增強；接著增大拉力，離子交聯的海藻酸鹽網絡被破壞，聚乙烯醇結晶域解纏結，有效耗散聚合物網絡中的能量，賦予水凝膠高韌性，同時拉伸誘導聚合物鏈段取向排列并形成致密的網絡結構，增強了聚合物鏈之間的氫鍵相互作用，提高了水凝膠的強度；最后繼續增大拉力，聚合物鏈段斷裂，水凝膠被破壞。

圖3. PVA/CA/PAAm水凝膠的微觀結構表征

此外，將水凝膠附著在玻璃板上，水凝膠展現出有效的防霧、防污、耐磨性（圖4），證明其實際應用潛力。

圖4. 水凝膠的防霧、防污和耐磨性

這一工作以“Superstrong and Transparent Hydrogels with Homogeneous Multiple Networks”為題發表在《Macromolecules》上。文章第一作者為中國科學技術大學博士研究生尹樹杏，通訊作者為趙創奇研究員。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c03202

來源: 高分子科技