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西安交通大學(xué)劉子順課題組《Polymer》:含水量對(duì)水凝膠物理粘接性能的影響
2022-03-19  來(lái)源:高分子科技

  水凝膠因其優(yōu)越的生物相容性和可拉伸性而廣泛應(yīng)用于柔性電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。以往的研究表明,含水量對(duì)水凝膠的彈性和斷裂行為有顯著影響。然而,含水量對(duì)水凝膠粘接性能的影響尚未得到系統(tǒng)的探討;诖,西安交通大學(xué)劉子順課題組對(duì)不同含水量下的聚丙烯酰胺水凝膠進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),揭示了水凝膠的物理粘接性能與其含水量之間的相關(guān)性。研究發(fā)現(xiàn),隨著含水量的變化,水凝膠的粘接能發(fā)生非單調(diào)的變化。水凝膠的表面鏈密度和體能量耗散以及水凝膠與基底界面處的含水量和有效接觸面積這四個(gè)因素共同導(dǎo)致了這一關(guān)系。其中,當(dāng)含水量極低(~30%)時(shí),聚丙烯酰胺水凝膠的粘接能比高含水量時(shí)高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。根據(jù)這一研究結(jié)果,可以通過(guò)調(diào)整水凝膠的含水量來(lái)調(diào)控其粘接性能,甚至實(shí)現(xiàn)可逆粘附。


  在水凝膠的應(yīng)用中,一方面,水凝膠要與其他材料實(shí)現(xiàn)可靠粘接,另一方面,其又常常不可避免地暴露于空氣中,導(dǎo)致含水量的變化。含水量可能會(huì)顯著影響水凝膠的力學(xué)性能,并進(jìn)一步影響其粘接行為。因此,了解水凝膠的含水量與其粘接性能之間的潛在相關(guān)性是至關(guān)重要的,F(xiàn)有的研究一般認(rèn)為在水凝膠的粘接中,水是不利因素,因?yàn)榱鲃?dòng)的水分子幾乎無(wú)法承受載荷。然而,已有研究表明在粘接過(guò)程中,水的存在不一定是不利的,例如壁虎在相對(duì)潮濕的環(huán)境下更易于粘接在物體表面。已有的含水量對(duì)水凝膠力學(xué)性能影響的研究主要集中于水凝膠的彈性和斷裂性質(zhì)如彈性模量、斷裂韌性、疲勞閾值等與含水量之間的耦合,缺乏含水量對(duì)水凝膠粘接性能影響的系統(tǒng)性研究,特別是物理粘接性能。最近,西安交通大學(xué)劉子順課題組在《Polymer》發(fā)表了一篇名為Effect of Water Content on Physical Adhesion of Polyacrylamide Hydrogels的論文(DOI: 10.1016/j.polymer.2022.124730)。該篇論文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了含水量對(duì)水凝膠物理粘接性能的影響,并對(duì)其中的影響機(jī)制進(jìn)行了解釋。

 

  該研究通過(guò)對(duì)含水量在23%~95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)的18種不同含水量的聚丙烯酰胺水凝膠進(jìn)行90度剝離測(cè)試發(fā)現(xiàn)水凝膠與玻璃硬基底的粘接能與水凝膠的含水量之間存在顯著相關(guān)性(圖1)。有趣的是,粘接能與含水量的關(guān)系并非單調(diào),根據(jù)曲線變化趨勢(shì)的不同,可以將其劃分為四個(gè)區(qū)域。如何解釋這一非單調(diào)的變化?一般認(rèn)為水凝膠-剛性基底體系的粘接能包括兩部分:表征共價(jià)鍵/非共價(jià)鍵斷裂的本征粘接能和由于粘接界面附近水凝膠變形產(chǎn)生的體能量耗散;谶@一概念,并結(jié)合剝離實(shí)驗(yàn)結(jié)果,該研究提出當(dāng)含水量變化時(shí),聚丙烯酰胺水凝膠的表面鏈密度和體能量耗散以及水凝膠與基底界面處的含水量和有效接觸面積這四個(gè)因素協(xié)同導(dǎo)致了水凝膠粘接能的變化(圖2)。進(jìn)一步地,該研究對(duì)不同含水量區(qū)間內(nèi)這四個(gè)因素的影響分別進(jìn)行了探究。該研究還發(fā)現(xiàn),當(dāng)聚丙烯酰胺水凝膠處于極低的含水量(~30%)時(shí),其物理粘接能比高含水量時(shí)高出一個(gè)數(shù)量級(jí),這為提升水凝膠的粘接性能提供了一種簡(jiǎn)便的方法。

  

 

圖1 聚丙烯酰胺水凝膠的粘接能隨含水量的變化

 

 2 影響水凝膠粘接性能的四個(gè)因素

 

  該論文的第一作者為西安交通大學(xué)國(guó)際力學(xué)應(yīng)用中心博士生周梓棣(Zidi Zhou),共同作者為西安交通大學(xué)國(guó)際力學(xué)應(yīng)用中心雷金成(Jincheng Lei)助理教授,通訊作者為西安交通大學(xué)國(guó)際應(yīng)用力學(xué)中心劉子順(Zishun Liu)教授。作者感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委(項(xiàng)目號(hào):11820101001,12172273)的資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.polymer.2022.124730

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