新型全打印智能复合凝胶及其在柔性器件中的应用

智能水凝胶是指通过聚合物网络物理性质的突变,能够对外界刺激(温度、酸碱度等)作出反应的水凝胶。其三维亲水性高分子网络具有很强的吸水性、弹性和生物相容性等众多优异特性,常被应用于人体仿生,药物释放,柔性电极材料,智能窗户以及传感器等。例如聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)水凝胶,是一种热敏性高分子材料,在药物控释、生化分离以及化学传感器等方面得到广泛应用,但由于其力学性能较差,无流变性等性质,限制了其进一步的应用,尤其是在复杂结构的柔性器件等领域的应用。针对这一问题,近日新加坡南洋理工大学龙祎老师团队与希伯来大学Shlomo教授团队共同在Advanced Functional Materials杂志发表题为“Fully Printed Flexible Smart Hybrid Hydrogels”的研究论文, 提出将水凝胶和硅胶复合的途径,保留了水凝胶的智能功能同时,也增加了力学性能以及可打印功能。

研究人员以聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)为例,巧妙地设计了一种可应用于3D打印的复合材料,把微米级的PNIPAm水凝胶颗粒均匀的分散在硅、铝氧化物为基础的透明基质中(硅铝胶)。PNIPAm水凝胶颗粒保留了其热敏变色性能,在常温下,PNIPAm水凝胶成无色透明状态,当温度升高至32摄氏度,PNIPAm水凝胶开始变成白色,并形成大量的散射中心。硅铝胶是无色透明胶体,含有70%以上水分并且具有很强的水分子吸附性,其较强的流变性使得硅铝胶可以进行较复杂结构的3D打印应用。在这种新型复合材料中,PNIPAm水凝胶微粒与硅铝胶基质无相互影响,却又彼此依存,PNIPAm水凝胶提供热致变色功能,硅铝胶基质则改善了水凝胶的力学性质,为PNIPAm水凝胶颗粒提供富水环境。值得一提的是,该新型复合凝胶在3D打印过程中无需任何辅助胶联过程(如紫外照射等),在其工作温度范围内(20-60摄氏度),无体积形貌变化。该新型复合水凝胶在热致-电致变色智能窗户以及光纤调控等领域具有广泛的应用前景,同时,该智能符合水凝胶的合成也为3D打印智能水凝胶提供新的科研方向。相关文章在线发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.201705365)上。

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