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《Macromolecules》宁波大学翁更生：共价交联聚合物水凝胶的快速愈合!

文章来源：新材料在线更新时间：2022-12-15 09:58:08

合成具有快速、可重复和高效愈合性能的共价交联聚合物对于开发具有更高安全性、寿命、生态友好性和能源效率的下一代可愈合材料至关重要。宁波大学翁更生教授团队报告了一种新的设计概念，它利用 Ag+/Fe3+ 催化的丙烯酸 (AA) 或 AA/共聚单体水溶液的快速凝胶化（例如，20 wt% AA 溶液的凝胶化时间为 56 秒）来实现共价键快速愈合交联聚合物水凝胶。具有共价网络的快速生成的聚丙烯酸 (PAA) 或 AA 共聚物水凝胶对于 AA 或 AA/共聚单体在水中通过前沿聚合过程的界面引发凝胶化 (IIG) 具有很高的活性。使用 AA 或 AA/共聚单体水溶液作为“修复液”，快速生成的水凝胶（聚合物浓度为 20 wt%）在室温下通过 IIG 反应反复修复，无需额外的能量输入。这种IIG反应介导的愈合（IIG-healing）的愈合效率高于90%。通过将快速生成的水凝胶的固体浓度增加到 92 wt%，可以将愈合时间从约 60 分钟缩短到仅约 1 分钟。IIG 反应还能够在水凝胶上涂覆疏水聚合物层，从而获得更高的拉伸强度、韧性和更好的保水能力。我们预计这种 Ag+/Fe3+ 催化的快速凝胶化策略将为制造多功能和多功能愈合聚合物铺平一条简便且节能的途径。

本文要点：

（1）AA或AA/共聚单体水溶液中存在的Ag+、Fe3+和过硫酸盐使其在室温下发生快速聚合；其次，Ag+和过硫酸盐的共存引发了COOH分子的氧化脱羧反应，导致了这些含COOH的聚合物快速共价交联。结合这两种机制，凝胶化发生得非常快。以此快速生成的聚丙烯酸(PAA)或AA共聚物水凝胶对AA或AA/共聚单体在水中的正面聚合具有较高的界面点燃凝胶活性。该界面点燃凝胶(IIG)使上述共价交联水凝胶的可重复和高效愈合无需额外的能量输入。这种IIG反应介导的愈合(IIG-healing)的愈合效率高于90%。

（2）通过将快速生成的水凝胶的固体浓度提高到92% ，可将固化时间从~ 60分钟缩短到~ 1分钟。IIG反应还可以在水凝胶上涂覆疏水聚合物层，从而获得更高的拉伸强度、韧性和更好的保水性。IIG反应还用于启动疏水单体在水凝胶表面的聚合。这种聚合疏水层赋予水凝胶更高的抗拉强度、韧性以及更好的保水性。作为概念验证，该工作为制造具有多种功能的多功能可愈合聚合物水凝胶提供了一种简便高效。

总结：总之，团队展示了一种新的快速生成和共价交联的聚合物水凝胶，具有快速、节能和多功能的愈合特性。由于在 20 wt% AA 水溶液中 Ag+/Fe3+ 催化聚合和 Ag+ 介导的共价交联共存，团队通过凝胶动力学流变学测量观察到 56 秒内的快速凝胶化。这种具有共价交联和 Fe3+-COOH 配位交联的高活性水凝胶使 AA 或 AA/共聚单体水溶液通过前沿聚合过程发生 IIG 反应。使用 20 wt% AA 或 AA/共聚单体水溶液作为 PAA 或 AA 共聚物的“修复液”，具有共价交联的 20 wt% PAA 或 AA 共聚物水凝胶在室温下通过 IIG 在空气中修复受损不需要额外能量输入的反应。这种 IIG 愈合可以在五个重复的愈合周期中很好地进行，在此期间每个愈合周期的愈合效率大于 90%。在 70 和 92 wt% 的高聚合物浓度下，IIG 愈合仅需 1-5 分钟即可在空气中实现，并且愈合效率高。92 wt% AgFe-PAA 水凝胶的快速愈合（~1 分钟）表明 IIG 愈合在玻璃状状态下是可行且高效的。它还证明了具有更高固体浓度（聚合物浓度）的 AgFe-PAA 或 AgFe-PAA 共聚物具有更活跃的 IIG 修复。AgFe-PAA 水凝胶还用于引发疏水单体（例如 MMA 和 n-BA）的 IIG 反应，从而在玻璃状 PMMA/PBA 和 AgFe-PAA 水凝胶之间产生足够强的界面强度。涂有 PMMA/PBA 表皮的 AgFe-PAA 水凝胶具有更高的拉伸强度、韧性以及更好的保水能力。该团队预计这种 Ag+/Fe3+ 催化的快速凝胶化策略将为制备多功能可修复聚合物水凝胶开辟一条新途径，并扩大其在生物医学、软电子和农业领域的应用，这些领域需要高机械性能和保水性。

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