宁波大学赵传壮教授 Sci. Adv.: 抗磨损和抗冲击水凝胶的盐焊接策略

2025-01-26 来源：高分子科技

力学强度和修复速率的权衡是自修复高分子材料的开发和设计中最大的挑战。力学强度的提升意味着分子链发生了高度的缠结、交联或结晶等作用，而这些作用会削弱分子链的运动从而减缓材料的修复过程。

宁波大学赵传壮课题组近期提出了“盐焊接”策略，用于构筑高力学强度和快速修复的水凝胶材料（图1）。这一策略利用了氢键缔合水凝胶的Hofmeister效应：在凝胶断面加入盐溶盐离子加速链段运动促进断面两侧凝胶网络的融合（即“盐融化”），随后在受损处加入盐析盐离子促进链段的氢键缔合并提升材料力学强度（即“盐固化”）。该水凝胶在室温下焊接95分钟内可达到23 MPa的愈合强度，愈合效率接近100%。凭借其宽域可调的机械强度和快速的愈合速率，该水凝胶可望被开发为性能优异的耐磨材料和抗冲击装置。

图1. 受金属热焊接启发的盐焊水凝胶概念图

该水凝胶材料（PMHB）通过甲基丙烯酰胺、丙烯酸羟乙酯和硼酸钠共聚而成。作者首先考察了盐离子PMHB水凝胶的力学性能的影响。当盐的类型从盐溶盐改变成盐析盐后，其杨氏模量从10^-⁴ MPa级别增加大10² MPa级别，体现了巨大范围的力学可调性（图2）。小角X射线散射和流变实验揭示了模量剧烈变化的原因：盐析盐引起了水凝胶的相分离，其疏水相区转变成了玻璃态，导致了凝胶的高模量。作者还研究了PMHB水凝胶在不同盐溶液中的粘弹性质，其储能模量和损耗模量对剪切频率的曲线经过平移后可以完美地叠加到一条主曲线上。主曲线清楚地显示了四个区域，Hofmeister盐离子有效地促进了水凝胶固态和粘流态之间的可逆转化，从而为盐焊接奠定了基础。

图2. PMHB水凝胶的合成过程、力学性能和流变性能。

盐焊接策略包括盐融化和盐固化两步（图3）。在盐融化过程中，将盐溶盐施加在水凝胶的断裂表面，促进链在界面上扩散，以及硼酸酯键的重组。在盐固化过程中，盐析盐促进酰胺基的氢键、聚合物链的聚集和玻璃化微区的形成，最终回复了材料的力学强度。作者通过荧光显微镜、低场核磁以及拉伸测试验证该策略的可行性，并优化了各步骤所需的时间。结果表明， PMHB 水凝胶在盐焊接11分钟后，愈合后的拉伸强度达到4.0 MPa，在焊接95分钟后达到 23 MPa。

图3. PMHB水凝胶的盐焊接工艺

柠檬酸钠处理的PMHB水凝胶具有最高的模量，这使其成为耐磨材料的候选材料（图4）。柠檬酸钠处理的PMHB水凝胶始终保持较低的摩擦系数，即使经过25000次摩擦循环，也未产生明显损伤。该水凝胶的耐磨性能与聚四氟乙烯相当，优于金属钛。对于耐磨材料，裂纹的存在会加剧磨损并减少其使用寿命。盐焊接被证明是一种提高材料耐久性的有效方法。，柠檬酸钠处理的PMHB水凝胶水凝胶经人为损伤导致摩擦系数增加了10%，而经过盐焊接处理后，表面的磨损痕迹消失且摩擦系数恢复到初始值。

图4. 可盐焊接PMHB-Na₃Cit水凝胶的耐磨性能

硫酸钠处理的PMHB水凝胶位于玻璃化转变区，具有较高的损耗角，因此具有优异的阻尼能力（图5）。通过落球冲击测试证明硫酸钠处理的PMHB水凝胶可以迅速抑重物掉落的冲击波。其阻尼效果不仅超过了相同厚度的PDMS、D3O和Poron等商品化阻尼材料。盐焊策略可用于修复阻尼水凝胶中的裂纹。盐焊接修复的水凝胶保持了原有的抗冲击性，其阻尼性能仍然与未受损的水凝胶一样有效。此外，不同盐处理的PMHB水凝胶可以成功地焊接在一起，组装成复合结构，提高阻尼性能。因此，盐焊接策略提供了一种简单和有效的方法来制造具有多组件的异质结构，比基于单一组件材料的同质结构提供了更优越的性能。

图5. 可盐焊接PMHB-Na₂SO₄水凝胶的抗冲击性能。

本研究提出了一种盐焊策略来克服可愈合水凝胶愈合率和机械强度之间的权衡问题，这项工作将启发高性能水凝胶材料的设计和应用。

以上相关成果发表在Science Advances上。论文的第一作者为宁波大学2022级硕士研究生贾江鹏，通讯作者为宁波大学赵传壮教授。西安交通大学秦立果教授为论文共同通讯作者。该工作受到国家自然科学基金、宁波市青年科技领军人才项目、宁波大学“力学+”交叉学科拔尖创新青年基金的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr9834

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（责任编辑：xu）

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