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河北科大合成多重刺激响应型自修复水凝胶 助力可视化监测

文章来源: 高分子科学前沿       发布时间:2019-05-15

5月15日,记者了解到,河北科技大学余旭东教授课题组设计合成了一种基于三联吡啶的两亲结构的化合物TPYA,引入配位作用、主客体包结作用、及氢键作用等超分子作用可灵活地构建小分子金属水凝胶及聚合物水凝胶(图1)。值得注意的是,基于聚丙烯酸和三联吡啶分子氢键作用构建的水凝胶在光照或加热下可以产生稳定的三联吡啶自由基,并伴随着凝胶由白色到深紫色的颜色变化。作者通过EPR和紫外等手段对自由基进行了表征。研究表明水凝胶三位网络结构、高效地电子传输、屏蔽效应及自由基分子间的有序堆积作用有利于水凝胶中自由基的产生,传递和保存。


制备兼具优异力学性能和多重刺激响应的水凝胶是材料领域研究的热点之一,同时也是一种具备挑战性的工作。目前,改善凝胶力学性能的方法一般有多网络水凝胶、滑环水凝胶、纳米复合水凝胶和配位水凝胶等,但是,这类凝胶往往没有有效建立凝胶结构,力学性能和刺激响应性能之间的有效关联。


据了解,水凝胶(Hydrogel)是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基,亲水残基与水分子结合,将水分子连接在网状内部,而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系,性质柔软,能保持一定的形状,能吸收大量的水。


作为一种高吸水高保水材料,水凝胶被广泛用于多种领域,如:干旱地区的抗旱,在化妆品中的面膜、退热贴、镇痛贴、 农用薄膜、建筑中的结露防止剂、调湿剂、石油化工中的堵水调剂,原油或成品油的脱水,在矿业中的抑尘剂,食品中的保鲜剂、增稠剂,医疗中的药物载体等等。值得注意的是,不同的应用领域应该选用不同的高分子原料,以满足不同的需求。

河北科大合成多重刺激响应型自修复水凝胶 助力可视化监测

图1 a),TPYA结构,b),TPYA不同的成胶方式及自由基凝胶刺激响应性


有趣的是,这种基于三联吡啶和羧酸氢键作用的聚合物自由基水凝胶具备优异的力学性能,如可反复拉伸、可塑型、可打结、可打印等(图2)。自由基的链式传递反应也赋予了该类凝胶优异的自修复性能。同时,基于可逆的氢键作用,该水凝胶还可进一步对氨水进行选择性响应,颜色变色无色,并伴随着明显的体积变化(膨胀45倍);基于自由基基团的可逆π组装,该水凝胶在拉伸下还可呈现明显、可逆的颜色变化(视频3),可望用于应力的可视化监测。

河北科大合成多重刺激响应型自修复水凝胶 助力可视化监测

图2 水凝胶可打印成不同模型


该方法首次利用基于氢键的超分子作用在水凝胶网络中制备了可以稳定保存的、类紫精的新型吡啶类自由基,达到了增加凝胶坚固性和自修复性的目的;同时,该类自由基还赋予了凝胶材料的多重刺激响应性,为新型聚合物水凝胶、光致变色材料及功能自由基材料的制备提供了一种新方法。

河北科大合成多重刺激响应型自修复水凝胶 助力可视化监测

图4 自由基水凝胶的制备、结构及刺激响应性


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