北京理工大学李欢军：耐冷冻和干燥的透明纳米有机水凝胶的高粘性

【科研摘要】

  具有强湿粘附力的坚韧水凝胶已在各种应用中引起广泛关注。然而，在水凝胶中实现优异的湿粘合性和耐冻干性仍是挑战。最近，北京理工大学李欢军副教授团队在Al（OH）3纳米粒子作为交联剂的情况下，基于甘油-水二元溶剂系统，提出了坚韧的透明纳米复合有机水凝胶。

  所得的有机水凝胶显示出优异的拉伸强度（0.9 MPa），高透明度（97％），优异的抗干燥和抗冻性以及良好的离子传导性。特别地，选择聚丙烯酸（PAA）作为桥联聚合物以赋予有机水凝胶强的湿粘合力。界面粘合能超过2200 J m-2，这归因于离子配位和纳米粒子与PAA链中羧基之间的氢键的协同作用。有趣的是，基于强大的湿附着力，透明有机水凝胶可以组装成具有长期环境稳定性的液压驱动软可变焦点透镜。这项工作将为控制水凝胶的湿粘附力提供新的见解，并且对于具有长期环境稳定性的基于水凝胶的功能性装置具有巨大的潜力。相关论文以题为Tough Adhesion of Freezing- and Drying-Tolerant Transparent Nanocomposite Organohydrogels《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。

  【主图导读】

  图1.（a）基于甘油-水二元溶剂，使用Al（OH）3纳米粒子作为交联剂的坚韧NC有机水凝胶（Al-NC-G凝胶）的示意图。（b）具有不同甘油含量的Al-NC-G凝胶和Al-NC-W凝胶的重量随时间变化。W0是初始重量，Wt是在不同时间（25°C，50％湿度）下的重量。（c）甘油含量对Al-NC-G凝胶的长期抗干燥和抗冻性能的影响（比例尺：2 cm）。（d）表示在-20℃下保存30天时Al-NC-G凝胶和Al-NC-W凝胶的不同柔韧性的照片。

  图2.（a）具有不同甘油含量的AM90Al2G凝胶的拉伸应力-应变曲线。（b）具有不同Al（OH）3含量的AM90AlG1凝胶的拉伸应力-应变曲线。（c）初始和预处理的AM90Al2G1凝胶和初始AM90Al2W凝胶的拉伸应力-应变曲线。（d）展示AM90Al2G1凝胶在25或-20°C储存30天之前和之后显着拉伸变形的照片（比例尺：1 cm）。

  图3.（a）使用AM90Al2G1凝胶作为导体进行拉伸前后（长度：3厘米，宽度：2厘米），LED灯泡亮度（工作电压，4.5 V）的比较。（b）导电性对Al-NC-G凝胶中各种Al（OH）3含量的依赖性以及显示LED灯泡亮度变化的相应照片。

  图4.（a）Al（OH）3 NC有机水凝胶（Al-NC-G凝胶）的粘附原理示意图。（b）根据T型剥离粘合力测试显示强粘合力（PAA）和弱粘合力（PAAM）的照片。（c）各种桥联聚合物对Al-NC-G凝胶粘附能的影响。（d）两个Al-NC-G凝胶表面之间的湿粘附界面的SEM图像。

  图5.（a）溶剂成分（甘油：水）对粘附的Al-NC-G凝胶的粘附能的影响。（b）比较具有不同Al（OH）3含量的Al-NC-G凝胶的粘附能和断裂功。（c）照片显示了最初的AM90Al2G1凝胶和经处理的样品在25或-20°C下存放30天后具有很强的粘合力。（d）比较Al-NC-G凝胶和Al-NC-W凝胶在25或-20°C下储存30天前后的粘附能，其中X表示由于脱水或冻结而无法获得的数据。

  图6.（a）AM90Al2G1凝胶的透射率。（b）AM90Al2G1凝胶透镜的制备示意图。（c）显示AM90Al2G1凝胶气球的密封性能的照片。（d）AM90Al2G1凝胶透镜中的液体含量对图像状态的影响。水凝胶透镜与物体之间的距离固定为60mm，并且透镜的内径为30mm。（e）在不同条件下的AM90Al2G1凝胶透镜的焦距与所填充液体含量的照片以及它们之间的关系。（I）首字母；（II）在25°C下保存30天；（III）在-20℃下保存30天。