中南民大张道洪教授/姜宇副教授团队：基于超支化结构构建高强高韧水凝胶

水凝胶因具有高吸水性、柔软性、可塑性等性能特点和广泛的应用前景而受到越来越多的关注。然而，水凝胶的应用往往受到其机械性能缺陷的限制，如强度较低和韧性较差等。近年来，多种合成策略被用于开发新型高性能水凝胶，如构建多重网络结构，引入动态相互作用（离子键、氢键、配位键等），开发新型交联剂等。其中，多重网络水凝胶的构建往往涉及到复杂的多步合成。与之相比，在水凝胶中引入动态相互作用或新型交联剂是提高其机械性能的更简单有效的方法。近日，中南民族大学超支化聚合物团队张道洪教授、姜宇副教授和阿卜杜拉国王科技大学Nikos Hadjichristidis教授合作，在基于超支化大分子交联剂构建高强高韧水凝胶方面取得了新的研究进展，相关成果发表在国际著名期刊《德国应用化学》（Angew. Chem. Int. Ed.），化材学院姜宇副教授为论文第一作者和通讯作者，张道洪教授为共同通讯作者。

超支化聚合物作为一种高度支化拓扑结构的聚合物，因其优异的溶解性、低粘度和大量末端基团等优点而在药物载体、结构材料等领域有着重要的应用前景。近年来，张道洪教授团队在超支化聚合物拓扑结构精准调控（Angew. Chem., 2022, 61, e202211713; 2021, 60, 331；Chem. Eng. J: 2018, 334, 1371; 2020, 387, 124071）、超支化环氧树脂及复合材料（Nat. Sustain., 2020, 3, 29; ACS Macro Lett, 2021, 10, 1113; Macromolecules, 2022, 55, 595; Chem. Eng. J.: 2023, 465, 142998; 2023, 471, 144329; Prog. Mater. Sci. 2022, 130, 100977)、超支化聚合物材料循环利用（Macromolecules, 2023, 56, 5290; ACS Sustain. Chem. Eng., 2023, 11, 11077）等领域取得了一系列研究进展，促进了相关领域快速健康发展。本文是该团队在超支化聚合物材料领域的又一研究成果，团队进一步将超支化拓扑结构引入水凝胶材料中，超支化分子非缠结几何形状可增强柔性聚合物链的链段运动能力，丰富的端基则可以有效地提供足够的交联位点，从而赋予水凝胶优异的强度、拉伸性和韧性。

本工作首先合成了羧基官能化和丙烯酰基封端的超支化聚己内酯，以其用作大分子交联剂，引入聚丙烯酸-丙烯酰胺水凝胶中。超支化分子的末端丙烯酰基以化学方式结合到网络中，形成共价交联，有助于形成坚固的网络。疏水的聚己内酯链自发聚集形成的疏水结构域，以及羧基形成配位键提供动态非共价交联作用，增强能量耗散能力。文中详细探究了超支化拓扑结构对水凝胶机械性能的影响，研究发现与线性结构的大分子交联剂相比，使用超支化大分子交联剂可使水凝胶表现出优异的增强和增韧效果。通过调节超支化拓扑结构，可在较宽范围内调控水凝胶的力学性能，其中适中的支化度和端基修饰度可赋予凝胶最优的共价/非共价交联平衡，从而获得最优的拉伸强度和韧性。使用该水凝胶作为应变传感器时，超支化交联剂还赋予其比线形交联剂交联的水凝胶更高的灵敏度。

图1. 超支化水凝胶A_xPCL_y-G_z的制备示意图。

图2. 超支化水凝胶A_xPCL_y-G_z的优异的机械性能。

图3. 超支化水凝胶A_xPCL_y-G_z应力-应变曲线。

图4. 超支化水凝胶A_xPCL_y-G_z的微观结构表征。

图5. 超支化水凝胶A_xPCL_y-G_z的微观结构表征。

图6. 超支化水凝胶A_xPCL_y-G_z的微观结构示意图。

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Strong and Ultra-tough Ionic Hydrogel Based on Hyperbranched Macro-Cross-linker: Influence of Topological Structure on Properties

Yu Jiang, Dezhi Zhan, Meng Zhang, Ying Zhu, Huiqing Zhong, Yangfei Wu, Qinwen Tan, Xinhua Dong, Daohong Zhang, Nikos Hadjichristidis

Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202310832

导师介绍

张道洪

https://www.x-mol.com/university/faculty/110206 

姜宇

https://www.x-mol.com/university/faculty/347440