北理工課題組在低溫抗凍水凝膠材料方面取得研究進展
發(fā)布日期：2023-02-27 供稿：材料學(xué)院 賀志遠 攝影：材料學(xué)院
編輯：牟雪嬌 審核：金海波 閱讀次數(shù)：高強韌水凝膠的發(fā)展極大拓寬了凝膠材料的應(yīng)用領(lǐng)域。但是,，大多數(shù)水凝膠由于含有大量的水,，其應(yīng)用的溫度范圍有限,。在低溫下，水凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生劇烈變化,，冰晶的形成導(dǎo)致韌性-脆性轉(zhuǎn)變,、透明度降低以及功能劣化。發(fā)展具有抗凍能力和優(yōu)異低溫力學(xué)性能的水凝膠具有重要科學(xué)價值,。
水凝膠中的水可分為可凍水和不可凍水（也稱結(jié)合水）,。可凍水的存在導(dǎo)致水凝膠在一定過冷條件下（約-10 ℃）發(fā)生凍結(jié),。為了提高水凝膠的抗凍性能,，通常引入無機鹽或有機溶劑等抗凍劑。其缺點在于,，抗凍劑存在泄漏至周圍的水環(huán)境的風(fēng)險,，從而失去抗凍性能。另一種方法就是提高水凝膠中結(jié)合水含量,，抑制低溫下水分子網(wǎng)絡(luò)向冰晶的轉(zhuǎn)變,，使凝膠中的水處于不可凍狀態(tài)。其挑戰(zhàn)在于,，如何有效提高凝膠中結(jié)合水含量,，制備本征型抗凍水凝膠。
北京理工大學(xué)材料學(xué)院賀志遠教授課題組與浙江大學(xué)吳子良研究員課題組合作發(fā)現(xiàn),，含有稠密氫鍵締合結(jié)構(gòu)的玻璃態(tài)水凝膠,，具有優(yōu)異的本征抗凍性能和低溫力學(xué)性能,。在聚（丙烯酰胺-co-甲基丙烯酸）[P(AAm- co -MAAc)]水凝膠中，高度纏結(jié)和稠密氫鍵締合有效降低了鏈段運動能力,，使其在室溫下處于玻璃態(tài),。在低溫下，氫鍵締合進一步增強,，導(dǎo)致模量,、強度的提升。該凝膠在-45 ℃仍表現(xiàn)出一定的延展性,，并且在液氮中保持透明,。DSC、低場核磁,、低溫XRD等結(jié)果表明,，玻璃態(tài)凝膠中絕大部分的水處于不可凍狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)動力學(xué)與水分子狀態(tài)呈現(xiàn)獨特的關(guān)聯(lián)性,，為本征抗凍水凝膠的設(shè)計制備提供了新思路,。作者對該凝膠其他低溫性能及潛在應(yīng)用也做了一些探索。
該凝膠含水量約50wt%,，室溫下具有優(yōu)異的力學(xué)性能,。由于氫鍵的動態(tài)特征，力學(xué),、黏彈行為均表現(xiàn)出顯著的溫度依賴性,。變溫拉伸結(jié)果表明，該凝膠在零下45 ℃仍呈現(xiàn)屈服現(xiàn)象,，具有很好的韌性,。該凝膠在液氮中仍保持高度透明，表明具有優(yōu)異的抗凍性能,。相比之下,，相同含水量的聚丙烯酰胺凝膠（PAAm）在低溫下迅速結(jié)冰發(fā)白，力學(xué)性能變脆,。
XRD,、DSC結(jié)果表明，玻璃態(tài)P(AAm- co -MAAc)水凝膠在低溫下僅有少量的水結(jié)冰,，遠低于常規(guī)PAAm水凝膠,。進一步，低場核磁結(jié)果表明,，在室溫下玻璃態(tài)凝膠內(nèi)部的水分子已處于高度受限狀態(tài),，從而抑制低溫下冰核的形成。這是由于,，（1）凝膠網(wǎng)絡(luò)中有大量氫鍵結(jié)合位點,，降低了水分子的運動能力,；（2）低溫下氫鍵進一步增強，玻璃態(tài)網(wǎng)絡(luò)的限域效應(yīng)阻礙水分子成核結(jié)冰,，從而處于不可凍狀態(tài),。因此，網(wǎng)絡(luò)玻璃態(tài)對于水凝膠的本征抗凍性能有重要貢獻,。其次,，微量的自由水難以提供鏈段運動所需的自由體積，水凝膠因而在室溫下仍處于玻璃態(tài),。網(wǎng)絡(luò)玻璃態(tài)與抗凍性能的關(guān)聯(lián)性,，為本征抗凍水凝膠的制備提供了新依據(jù)。其他玻璃態(tài)水凝膠也表現(xiàn)出本征抗凍性能和優(yōu)異的低溫力學(xué)性能,，表明了該方法的普適性,。
此外，P(AAm- co -MAAc)水凝膠由于氫鍵締合體中羰基導(dǎo)致的簇發(fā)光,，具有獨特的低溫發(fā)光行為,。當溫度從50 ℃降低到-80 ℃時，該凝膠的磷光強度與壽命顯著增加,。這是因為,，隨著溫度下降，氫鍵逐漸增強,，鏈段運動能力下降，從而抑制了非輻射躍遷,，提高了發(fā)光效率,。
以上研究以“Intrinsic Anti-Freezing and Unique Phosphorescence of Glassy Hydrogels with Ultrahigh Stiffness and Toughness at Low Temperatures”為題發(fā)表于Advanced Materials，北京理工大學(xué)賀志遠教授,、浙江大學(xué)吳子良研究員為共同通訊作者,。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和山西-浙大先進材料與化學(xué)工程研究所的支持,。
文章信息：Intrinsic Anti-Freezing and Unique Phosphorescence of Glassy Hydrogels with Ultrahigh Stiffness and Toughness at Low Temperatures. Li Xin Hou, Huaqiang Ju, Xing Peng Hao, Haoke Zhang, Lei Zhang, Zhiyuan He,* Jianjun Wang, Qiang Zheng, Zi Liang Wu*
原文鏈接：[https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202300244]
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