使用共價(jià)鍵構(gòu)建的水凝膠由于其內(nèi)部異質(zhì)性和缺乏可用的能量耗散結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其不良的機(jī)械性能，例如低拉伸強(qiáng)度，韌性差以及在外應(yīng)力下的可拉伸性差，限制其在機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。當(dāng)兩種疏水性物質(zhì)接近時(shí)，水分子的構(gòu)型重排導(dǎo)致疏水相互作用，與其他可逆性相互作用（如離子鍵和氫鍵）相比，疏水性相互作用可能在更長(zhǎng)的范圍（100-200 ?）內(nèi)表現(xiàn)出吸引力，因此可能賦予水凝膠材料優(yōu)異的拉伸性能?；诖耍?strong>卡爾加里大學(xué)研究人員通過(guò)將纖維素納米晶體或疏水化的纖維素納米晶體引入通過(guò)疏水相互作用物理交聯(lián)的聚合物中，設(shè)計(jì)出具有出色的拉伸強(qiáng)度，超高伸長(zhǎng)率和可修復(fù)的新型雙物理交聯(lián)（DPC）水凝膠。相關(guān)工作以“Dual Physically Cross‐Linked Hydrogels Incorporating Hydrophobic Interactions with Promising Repairability and Ultrahigh Elongation”為題發(fā)表在《Adv. Funct. Mater.》上。
將C18烷基鏈接枝到N- [3-（二甲基氨基）丙基]甲基丙烯酰胺（DMAPMA）上得到疏水單體（DMAPMA-C18），C8接枝到纖維素納米晶（CNC）表面得到疏水纖維素納米晶（CNC-C8）。合成了CNC‐C8（或CNC）DPC水凝膠，使用N，N‐二甲基丙烯酰胺（DMAc）和DMAPMA-C18聚合形成第一個(gè)通過(guò)疏水相互作用物理交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)， CNC-C8和DMAPMA-C18之間的疏水相互作用，CNC- C8（或CNC）和DMAPMA之間的靜電相互作用，以及CNC-C8（或CNC）和DMAc之間的氫鍵形成了第二個(gè)交聯(lián)點(diǎn)。
合成示意圖
與CNC DPC水凝膠相比，CNC-C8 DPC水凝膠顯示出相對(duì)較小的孔徑，這歸因于CNC-C8 DPC中更強(qiáng)的疏水相互作用，從而導(dǎo)致了更緊湊的水凝膠結(jié)構(gòu)。紅外光譜也證明了水凝膠的成功合成。
水凝膠表征
由于疏水相互作用，氫鍵和靜電相互作用增強(qiáng)雙重物理交聯(lián)，通過(guò)改變組分配比，得到由0.0675 w / v％ DMAPMA-C18和0.2 w / v％CNC 構(gòu)建的的CNC DPC水凝膠的拉伸率為5352 ± 1427％，由0.0675 w / v％ DMAPMA-C18和0.2 w / v％CNC C8 構(gòu)建的的CNC C8 DPC水凝膠的拉伸率為4268 ± 1446％。同時(shí)考慮拉伸率和拉伸強(qiáng)度的情況下，最佳配比為由0.0675 w / v％ DMAPMA-C18和0.2 w / v％CNC C8 構(gòu)建的的CNC C8 DPC水凝膠（拉伸率4268 ± 1446％，強(qiáng)度：331 ± 32 kPa）。合成的DPC水凝膠在長(zhǎng)時(shí)間浸入水中后仍可保持其結(jié)構(gòu)完整性，并且仍保留了通過(guò)外部壓縮而抗變形的能力，這證明了這種通過(guò)疏水相互作用交聯(lián)的水凝膠具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。
拉伸試驗(yàn)
在室溫下在切割DPC水凝膠表面后，再四氫呋喃（THF）過(guò)夜可以修復(fù)，修復(fù)后的CNC-C8 DPC水凝膠比修復(fù)后的CNC DPC水凝膠顯示出更好的拉伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，表明了CNC-C8和DMAPMA-C18之間的疏水相互作用提高了機(jī)械性能。
可修復(fù)試驗(yàn)
總結(jié)
研究人員已開(kāi)發(fā)出具有可修復(fù)性，優(yōu)異的伸長(zhǎng)率和出色的拉伸強(qiáng)度的新型DPC水凝膠。最佳的CNC‐C8 DPC水凝膠由0.0675 w / v％的DMAPMA‐C18和0.4 w / v％的CNC‐C8構(gòu)建，具有331 ± 32 kPa的最佳拉伸強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率為4268％ ± 1446％，通過(guò)在切割表面之間施加THF在有限的時(shí)間內(nèi)可修復(fù)。此外，由于纖維素材料的生物相容性以及聚合后的丙烯酰胺基材料無(wú)毒性，合成的CNC或CNC-C8 DPC水凝膠可能在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和軟機(jī)器人領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。
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