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《Mater. Today》不列颠哥伦比亚大学:全纤维素水凝胶,超高拉伸率超过40000%
作者:Yifan Zhang,Xia Sun | 2024/3/20 10:33:44 | 浏览:280 | 评论:0

《Mater. Today》不列颠哥伦比亚大学:全纤维素水凝胶,超高拉伸率超过40000%

通讯作者:Feng Jiang

通讯单位:不列颠哥伦比亚大学

DOI:10.1016/j.mattod.2024.02.007

背景介绍

水凝胶是一种新兴的材料,由包裹大量水的聚合物网络组成,在生物医学工程、柔性电子以及能量存储和转换等多个领域获得了极大的关注。为了保证在现实应用场景中的最佳性能,选择特殊的聚合物骨架至关重要,因为它会显著影响整体性能结果。聚丙烯酸(PAA)、聚丙烯酰胺(PAAm)和聚乙烯醇(PVA)等合成聚合物由于其优异的机械性能、显著的吸水能力和易加工性,目前在水凝胶制造的研究和商业领域占据主导地位。然而,这些源自石化产品的合成聚合物是不可生物降解的,引起了严重的环境问题]。因此,发现一种环境友好的高性能水凝胶制备替代品具有重要意义。

在自然界中,水凝胶样结构在多细胞生物中丰富。例如,有血管和无血管(如藻类)植物在其生长的特定阶段可以被视为水凝胶。在这些情况下,纤维素充当基本的构建块,形成3D互连网络,在水中膨胀,同时保持结构完整性,这要归功于其强大的吸湿性和源自分子间和分子内氢键的非凡机械强度。由于其生物降解性、丰富的可用性和许多其他有益特性,纤维素已被广泛认为是制造水凝胶和其他先进设备的最有前途的环保候选者。然而,天然纤维素水凝胶表现出固有的硬度,主要归因于刚性葡糖酐单元(AGU)的存在以及通过广泛的链内和链间氢键形成的高度有序的晶体结构。尽管已经报道了可拉伸的纤维素基水凝胶,但纤维素通常在水凝胶系统中构成最小的部分,主要通过利用其刚性和高模量特性作为增强填料。这些水凝胶的可拉伸性主要来源于合成聚合物网络。

通过将纤维素溶解到分子链中并在反溶剂浴中再生,破坏和重建分子间氢键已被提出作为解决这一限制的方案。从纤维素I向纤维素II同种型的转化显示出增强所得水凝胶的弹性和拉伸性的潜力。此外,水分子作为增塑剂的存在通过破坏纤维素链内氢键的形成,有助于进一步提高拉伸性。尽管取得了这些进展,但所有纤维素水凝胶的拉伸性仍然有限,其最大值通常低于250%。同样,这种限制源于刚性AGU环和丰富的随机氢键网络的存在,这限制了它们在需要高拉伸性的领域的适用性。

本文亮点

1. 本工作首次制备了一种具有超高拉伸性的全纤维素水凝胶,其应变可超过40000%。

2. 所获得的水凝胶显示出显著的特性,包括创纪录的高拉伸性(44200%)、快速自修复性能(几秒钟内)和形成纤维素纤维的独特能力。

3. 通过简单的拉伸,可以获得光滑和柔性的纤维素纤维,表现出良好的加工性和226 MPa的高拉伸强度。

图文解析

《Mater. Today》不列颠哥伦比亚大学:全纤维素水凝胶,超高拉伸率超过40000%
图1. 示意图显示,a)在拉伸过程中,裂解刚性葡糖酐单元(AGU)环将增加链的柔性并促进氢键的重新形成。b) DCNRs水凝胶的制备过程。


《Mater. Today》不列颠哥伦比亚大学:全纤维素水凝胶,超高拉伸率超过40000%
图2. NBSK纸浆、DAC和DCNR的特性。a) NBSK水性纸浆、DAC和DCNRs悬浮液的照片。b) 0.5 wt%DAC和DCNRs悬浮液的紫外-可见光谱。c) NBSK纸浆、DAC和DCNRs的FTIR光谱。d) DCNR的TEM图像和e)相应的宽度和长度分布。f) NBSK纸浆和DCNRs的XRD衍射图。


《Mater. Today》不列颠哥伦比亚大学:全纤维素水凝胶,超高拉伸率超过40000%
图3. DCNRs水凝胶的特性。a) 显示DCNRs水凝胶在静态条件下的流体行为的照片(比例尺:1 cm)。b) 显示DCNRs水凝胶球从离地0.5 m的高度掉落后反弹的快照(比例尺:2 cm)。c) DCNRs水凝胶的频率扫描。d) DCNRs水凝胶在应变振幅扫描过程中的储能模量G′(从0.1%到1000%,再回到0.1%)。e) 不同DCNRs含量下的应力-应变曲线,以及(f)相应的模量。g) DCNRs水凝胶的自修复过程的照片(其中一块用亚甲基蓝染色,比例尺:1 cm)。


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图4. DCNRs水凝胶和干燥纤维的拉伸性能表征。a) DCNRs水凝胶拉伸前后的照片。干燥的DCNRs纤维的SEM图像b)在扭曲之后和c)具有结。d) 干燥DCNRs纤维的偏振光学显微镜(POM)图像。e) 干燥DCNRs纤维的平均应力-应变曲线f)DCNRs光纤保持100 g重量的照片。


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图5. DCNRs水凝胶传感器的应用。a) 在0%到300%的应变下,传感器在拉伸和释放过程中的相对电阻变化。b) 传感器在不同拉伸应变下的相对电阻变化(每个应变3个循环)。c) 用于监测志愿者肘部弯曲的水凝胶传感器的相对电阻变化。d) 商业和DCNRs水凝胶基电极的附着照片。e) 从商用电极和DCNRs电极获得的ECG信号的频谱。



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