高应变形状记忆油水凝胶材料

形状记忆材料是可根据需要重复设定一种或多种临时形状并又能根据需要回复到原始形状的功能性材料,因此在航空航天电子以及生物医学和材料工程领域有着广泛的应用前景,从而吸引了科学界的广泛关注。通常形状记忆聚合物的设计策略主要依靠两种不同组分:(1)弹性聚合物网络,用于回复到材料的原始形状;(2)可逆响应性聚合物链段,用于固定其临时形状。由于固态聚合物网络的高密度交联位点导致了聚合物链移动性差,因此大多数形状记忆聚合物不具有高应变能力和韧性,这一点严重限制了其在复杂条件下的应用。然而,固态聚合物网络中引入溶剂形成凝胶材料虽可显著提高其形变量,但固态聚合物网络的溶剂化却极大地削弱了聚合物链段的可逆转变行为,比如,玻璃化转变等等。同时,高分子溶剂化也降低了网络交联位点密度,导致了材料的力学性能下降。

AM-liumingjie

北京航空航天大学化学学院刘明杰教授团队通过在凝胶材料中引入二元协同网络的概念,成功研发了一种具有高形变特性的形状记忆油水凝胶材料。研究者利用油水两相体系,通过乳化过程得到均匀稳定的乳液体系并原位聚合,制备了以水凝胶作为连续相和油凝胶作为分散相的油水凝胶材料。在该油水凝胶体系中,具有相变特性的油凝胶微区和弹性水凝胶网络为材料提供了良好的热响应机械性能和形状记忆特性。同时,凝胶异质网络的界面张力可以有效提高该凝胶材料的韧性和形状回复性能。在形状记忆过程中,该凝胶材料在拉伸形变高达2600%的条件下可固定其临时形状并能根据需要完全回复其原始形状。同时,通过形状记忆中的受限形变回复过程,该油水凝胶材料可有效对外做功,能够支撑起其自身重量20倍的重物。该工作也实现了油水凝胶材料的多重形状记忆行为和表面图案化构筑。基于油水凝胶异质网络结构的自我限制,该油水凝胶体系有着油水两相下的不溶胀行为,这对凝胶在多种分散相体系的应用具有重要意义。结合高应变特性,高弹性模量和形状记忆,该油水凝胶有望在软体机器人,柔性电子器件及生物医学材料等领域有着重要应用。该项研究成果发表在Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.201701695)上。

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