《Sci. Adv.》宁波大学赵传壮：可修复耐冲击耐磨水凝胶

自修复水凝胶可以自主修复损伤，提高了其性能稳定性，拓宽了其作为软器件的应用范围。虽然动态相互作用的加入增强了自愈能力，但同时也削弱了水凝胶的强度。加热等外部刺激在加速愈合过程的同时，也可能导致脱水。开发一种结合快速愈合和高机械强度的稳定修复策略是具有挑战性的。宁波大学赵传壮教授团队介绍了具有室温快速自愈的高强度水凝胶的“盐焊”。这是通过盐反应性聚（甲基丙烯酰胺）水凝胶中的动态硼酸酯键实现的。这个过程包括“盐融合”，将裂缝转化为粘稠的液体，以便迅速愈合，然后是“盐固化”，使水凝胶变韧。在室温下，水凝胶在95分钟内达到2300兆帕斯卡的修复强度，愈合效率接近100%。利用其可调的机械强度和快速愈合率，水凝胶可以作为可修复的耐磨材料和阻尼装置进行定制。该研究以“Salt-welding strategy for the design of repairable impact-resistant and wear-resistant hydrogels”为题发表在Science Advances ( IF 11.7 ) Pub Date : 2025-01-24 , DOI: 10.1126/sciadv.adr9834上。

合成方法

水凝胶的制备：将不同MAm和HEA比例的水凝胶进行聚合，标记为PMxHyBz水凝胶，其中x，y，z分别表示MAm， HEA和BA在前驱体溶液中的质量百分比。将单体（MAm，3.4 g和HEA，0.42 g）、交联剂（BA, 0.072 g）、引发剂（APS, 20 mg）和去离子水（6.18 g）混合，将前驱体溶液的pH调至9，制备出PM34H4.2B0.72水凝胶作为示例水凝胶的前驱体溶液。将混合物倒入尺寸为70 mm×70 mm×2 mm的平行玻璃板模具中，在60°C下反应7小时，得到含有可逆动态硼酸酯键的聚（甲基丙烯酰胺-丙烯酸羟乙酯）水凝胶。然后，在30°C下，将PMHB水凝胶按照Hofmeister系列浸入含有各种钠盐（1.0 M）的丰富溶液中24小时，得到膨胀平衡的PMHB-x水凝胶，其中，“x”表示PMHB水凝胶浸入的特定盐溶液。

图文解析

图1 受金属热焊启发的可盐焊水凝胶概念

图2 PMHB水凝胶的合成、力学和流变性能：(A) PMHB水凝胶的分子结构，以及合成过程示意图；(B)基于Hofmeister系列的不同钠盐水溶液（1.0 M）浸泡后的PMHB水凝胶照片；(C)不同钠盐水溶液（1.0 M）中pmeb水凝胶的单轴应力-应变曲线；(D)不同钠盐水溶液（1.0 M）中PMHB水凝胶的SAXS曲线；(E) PMHB水凝胶在不同钠盐水溶液（1.0 M）中的玻璃化转变温度，注意，玻璃化转变温度定义为加热后流变试验中损失tan δ峰的温度；(F)和(G)不同钠盐（1.0 M）浸泡PMHB水凝胶的流变行为，(F)存储模量G '和(G)损失模量G″随频率ω的函数；(H)时间-盐型叠加构造的G′和G″主曲线，以PMHB水凝胶为参比水凝胶，30℃时相对溶胀体积比Qv为垂直位移因子

图3 PMHB水凝胶的盐焊：(A)描述玻璃状水凝胶使用盐焊策略愈合过程的机理图；(B)不同钠盐（1.0 M）处理的PMHB- Na3Cit水凝胶的质子自旋弛豫时间（T2）；(C) pba掺杂的PMHB- Na3Cit水凝胶和新生的PMHB-Na3Cit水凝胶愈合界面的荧光显微镜图像；(D) PMHB-Na3Cit水凝胶（在NaSCN融合后）在固化前后支撑1 kg重量的照片；(E)不同凝固时间下PMHB-Na3Cit水凝胶（NaSCN融合后）的应力-应变曲线；(F)可盐焊PMHB-Na3Cit水凝胶与其他先进自愈水凝胶的愈合性能比较

图4 可盐焊PMHB-Na3Cit水凝胶的耐磨性能：(A)耐磨性试验示意图；(B) PMHB水凝胶和PMHB- Na3Cit水凝胶表面磨损痕的照片；(C) PMHB水凝胶和PMHB-Na3Cit水凝胶的COFs；(D) PMHB-Na3Cit水凝胶、盐焊PMHB-Na3Cit水凝胶、铁氟龙、钢和钛的磨损体积和磨损率；(E)受损的PMHB-Na3Cit水凝胶在盐焊修复前后的照片；(F)原始的、损坏的和盐焊接的PMHB-Na3Cit水凝胶的COFs；(G)五次损伤和盐焊后PMHB-Na3Cit水凝胶的COFs柱状图

图5 可盐焊PMHB-Na2SO4水凝胶的抗冲击性能：(A)球落冲击试验示意图；(B) 32 g钢球从70 cm高度自由下落时，空白样品、PMHB水凝胶、PMHB-Na2SO4水凝胶、盐焊PMHB-Na2SO4水凝胶、PMHB-Na3Cit水凝胶、PDMS、D3O和Poron对时间分辨冲击力波的衰减；(C) PMHB水凝胶、PMHB-Na2SO4水凝胶、盐化PMHB-Na2SO4水凝胶、PMHB-Na3Cit水凝胶、PDMS、D3O、Poron在70 cm高度对应的冲击力衰减比；(D)损坏的PMHB-Na2SO4水凝胶照片，用盐焊修复，保护玻璃板免受冲击损伤；(E)双层抗冲击水凝胶的三维示意图；(F) PMHB-Na3Cit水凝胶（刚性框架）和PMHB-Na2SO4水凝胶（缓冲层）通过盐焊策略焊接在一起，以保护陶瓷杯