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Angew. Chem.: 原位形成超支化簇聚集體構筑層級交聯聚脲離子凝膠2024-10-17
離子凝膠在柔性電子領域具有重要的應用前景,其網絡結構在決定其性能和應用方面發(fā)揮著關鍵作用。通過化學結構設計調控離子凝膠的網絡結構是一種有效的策略。以往線性結構表現出高滯后性,而共價交聯結構則無法修復。因此,動態(tài)共價交聯網絡一直是聚合物凝膠研究領域的前沿。然而,該網絡中動態(tài)鍵的鍵能相對較弱,導致其拉伸強度低,拉伸過程中能量耗散大,從而產生明顯的滯后現象。因此,通過分子設計新型網絡結構來解決動態(tài)共價交聯網絡中存在的缺陷仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近期,受海洋生物水母蛋白的層級結構啟發(fā),華南理工大學海洋工程材料團隊報道了一種新穎的層級交聯網絡結構設計策略,即通過原位形成超支化簇聚集體(HCA),從而實現聚脲離子凝膠網絡的拓撲結構調控。這種獨特的網絡結構設計賦予聚脲離子凝膠高強度、優(yōu)異的韌性、抗穿刺、低滯后、自修復和熒光性能等。

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圖1. 海洋生物啟發(fā)的聚脲離子凝膠網絡設計及制備

該團隊提出了通過原位形成超支化簇聚集體(HCA)構筑聚脲離子凝膠的層級交聯網絡結構。這種方法巧妙地利用了官能團之間化學反應活性的差異,通過競爭反應原位形成了超支化簇。這些簇通過長鏈聚氨酯預聚物連接。特別是,簇與簇之間可通過超分子作用進一步聚集成更大的尺寸,從而形成具有層級交聯網絡結構的聚脲離子凝膠。

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圖2. 層級交聯網絡與傳統動態(tài)共價交聯網絡的機械性能對比

與傳統的動態(tài)共價交聯網絡相比,這種層級交聯網絡賦予聚脲離子凝膠高拉伸強度、優(yōu)異的韌性、低滯后及抗刺穿性。

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圖3.層級交聯網絡的結構表征

此外,通過AFM分子力譜、紅外光譜、小角X射線散射、AFM納米力學mapping、透射電鏡等表征方法解釋了這種HCA結構與性能之間的關系。

綜上所述,受海洋生物水母蛋白的層級結構啟發(fā),我們利用原位形成超支化簇聚集體(HCA)設計了一種新穎的層級交聯網絡結構。這種原位形成的HCA 具有合成簡單、可精確調整網絡拓撲結構和賦予交聯點功能性等優(yōu)點。由此產生的離子凝膠具有優(yōu)異的性能,包括高強度、優(yōu)異的韌性、抗穿刺,低滯后性、自愈性和熒光性,超越了傳統的動態(tài)交聯網絡結構。該研究為離子凝膠網絡結構設計及高性能離子凝膠的制備提供了新的思路。

文信息

Jellyfish-inspired Polyurea Ionogel with Mechanical Robustness, Self-Healing, and Fluorescence Enabled by Hyperbranched Cluster Aggregates

Zhipeng Zhang, Lu Qian, Bin Zhang, Chunfeng Ma*, Guangzhao Zhang

文章的通訊作者為華南理工大學馬春風教授,第一作者是華南理工大學的博士生張志鵬。

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202410335

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