《Macromolecules》中科大江雷院士/赵创奇团队：具备均匀多重网络结构的高强韧且高透明水凝胶！

水凝胶同时具备高强韧性和高透明度，对于水凝胶在可穿戴设备和水下保护等实际应用方面至关重要。迄今为止，研究者们制备高强高韧水凝胶主要是通过将有效的能量耗散机制引入水凝胶网络中，如引入静电相互作用、氢键作用，形成结晶域，盐析，机械拉伸，构建双网络和相分离等方法。通过这些策略制备的水凝胶的力学性能得到了极大改善，但是水凝胶如何在具有高强韧性的同时具备高透明度仍然是一个急需解决的难题。目前报道的许多水凝胶具有高强韧性，得益于它们均匀且紧密相连的网络结构，此外水凝胶网络均匀性提高有利于增强透明度。

基于此，中国科学技术大学江雷院士/赵创奇研究员团队提出构建一种具有均匀且致密网络结构的水凝胶，该水凝胶具有高强高韧和高水下透明度的特性，可附着在水下光学器件表面，起到防雾、防油、耐磨的作用。

研究团队通过“超铺展——退火——原位聚合”多种策略相结合，依次引入三重聚合物网络，制备出网络结构均匀致密且含有丰富氢键的水凝胶（图1）。该水凝胶具有优异的力学性能，通过改变聚丙烯酰胺网络的含量，调控体系的链缠结程度，水凝胶的拉伸强度和断裂韧性可分别达到44.2 ± 1.0 MPa和153.0 ± 3.6 MJ m-3（图2）。此外，链缠结的引入，有利于水凝胶能量耗散能力的提高。由于三重网络结构均匀，水凝胶具有90%的水下高透明度；网络结构致密以及大量氢键的存在，也赋予水凝胶高水下稳定性，在纯水环境中拉伸强度可保持35.5 ± 0.8 MPa。

图1. PVA/CA/PAAm水凝胶的制备

图2. PVA/CA/PAAm水凝胶的力学性能

从微观角度分析水凝胶具有高强韧性的内在机理（图3）。SEM图像表明，水凝胶具有均匀且致密的网络结构，从而赋予水凝胶优异的力学性能。对不同拉伸程度的水凝胶进行SAXS测试，取向因子(f)随着拉伸程度的增大而增大，表明拉伸过程中聚合物链段的取向度增大，有利于提高水凝胶的拉伸强度。图3f展示了拉伸过程中水凝胶网络的变化：首先对水凝胶施加较小的拉力，聚合物链滑移并将力传递给其他链段，有效避免应力集中现象，同时聚合物链段重新定向排列，水凝胶拉伸应力和强度得到增强；接着增大拉力，离子交联的海藻酸盐网络被破坏，聚乙烯醇结晶域解缠结，有效耗散聚合物网络中的能量，赋予水凝胶高韧性，同时拉伸诱导聚合物链段取向排列并形成致密的网络结构，增强了聚合物链之间的氢键相互作用，提高了水凝胶的强度；最后继续增大拉力，聚合物链段断裂，水凝胶被破坏。

图3. PVA/CA/PAAm水凝胶的微观结构表征

此外，将水凝胶附着在玻璃板上，水凝胶展现出有效的防雾、防污、耐磨性（图4），证明其实际应用潜力。

图4. 水凝胶的防雾、防污和耐磨性

这一工作以“Superstrong and Transparent Hydrogels with Homogeneous Multiple Networks”为题发表在《Macromolecules》上。文章第一作者为中国科学技术大学博士研究生尹树杏，通讯作者为赵创奇研究员。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c03202

来源: 高分子科技