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新型高阻尼凝膠材料將為沖擊防護(hù)領(lǐng)域帶來(lái)新動(dòng)力
文章來(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2023-09-12 14:37:33
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有機(jī)凝膠是一類重要的凝膠，由于其作為液體注入軟材料的特性，與水凝膠相當(dāng)。盡管可以廣泛選擇液體介質(zhì)和兼容網(wǎng)絡(luò)，可以提供更廣泛的性能范圍，但在這一領(lǐng)域的研究報(bào)告相對(duì)較少。 根據(jù)凝膠的含量進(jìn)行分類 凝膠類型是指膨脹相的性質(zhì)(氣體、有機(jī)液體和水)或最具功能的成分(例如，氟化單體、離子液體、磁凝膠和聚乙二醇)。 當(dāng)液相是水和有機(jī)溶劑的混合物時(shí)，有機(jī)凝膠和水凝膠可以重疊。凝膠，其中液相和/或相反極性的三維網(wǎng)絡(luò)相互連接或具有清晰的界面，被稱為有機(jī)水凝膠或二甲凝膠。 當(dāng)根據(jù)膨脹液體的性質(zhì)進(jìn)行分類時(shí)，有機(jī)凝膠是充滿有機(jī)液體的凝膠，包括極性有機(jī)溶劑及其水混合物、離子液體、脂肪和油等。這一定義反映了液相在有機(jī)凝膠功能中最活躍的作用，以及它們作為一種單獨(dú)的凝膠類的多功能性。 有機(jī)凝膠的特點(diǎn)及相關(guān)應(yīng)用 定義的獨(dú)特特性包括: 1)機(jī)械，熱，和環(huán)境穩(wěn)定性，2)特殊潤(rùn)濕性，3)液體和物質(zhì)的吸收和釋放，4)對(duì)各種刺激的響應(yīng)，5)電子和離子導(dǎo)電性。實(shí)際應(yīng)用通常需要多種特性的組合，例如，可穿戴電子產(chǎn)品的導(dǎo)電性、響應(yīng)性和穩(wěn)定性。 新型高阻尼抗沖擊有機(jī)凝膠材料 近年來(lái)，凝膠材料因其靈活可調(diào)的力學(xué)特性和豐富的功能，受到了各領(lǐng)域研究者的極大關(guān)注。然而，凝膠材料往往因溶劑的遷移而具有較低的穩(wěn)定性，容易溶脹或干燥變形，已經(jīng)成為制約凝膠材料深入應(yīng)用的瓶頸難題。盡管已經(jīng)開發(fā)了多種策略來(lái)提高凝膠的穩(wěn)定性，然而，從熱力學(xué)角度來(lái)看，如果凝膠中溶劑的含量偏離了聚合物的平衡溶脹狀態(tài)，溶劑將不可避免的發(fā)生遷移。因此，若要準(zhǔn)確控制凝膠中的溶劑含量，保持高穩(wěn)定性，需要有效抑制溶劑遷移的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。 構(gòu)建思路 機(jī)械互鎖作用通過(guò)分子結(jié)構(gòu)中的幾何關(guān)系將不同的分子連接起來(lái)，這使得非共價(jià)連接的分子，能夠保持穩(wěn)定的聚集狀態(tài)。西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院“智能高分子”團(tuán)隊(duì)吳宥伸副教授和張彥峰教授，從機(jī)械互鎖超分子原理中汲取靈感，提出了“分子阻塞”超分子機(jī)制，利用溶劑分子與交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間的尺寸差異帶來(lái)的阻滯，有效抑制溶劑在凝膠內(nèi)的遷移。 通過(guò)設(shè)計(jì)和合成分子尺寸超過(guò)1.4 nm的液態(tài)支鏈檸檬酸酯(branched citrate ester, BCE)，并將這種大體積分子作為溶劑與交聯(lián)聚脲原位聚合，制備獲得系列新型“分子阻塞”凝膠。由于大體積BCE溶劑和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)孔尺寸相當(dāng)，溶劑難以穿過(guò)交聯(lián)聚合物移動(dòng)，有效抑制了溶劑的長(zhǎng)程遷移。“分子阻塞”凝膠具有與普通聚合物或彈性體相媲美的卓越穩(wěn)定性，可儲(chǔ)存10個(gè)月而無(wú)任何形貌或力學(xué)性能改變，并能耐受高溫烘烤，保持質(zhì)量和性能的穩(wěn) 在沖擊防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力 基于良好的穩(wěn)定性，通過(guò)精確控制凝膠內(nèi)溶劑含量，可實(shí)現(xiàn)凝膠材料強(qiáng)度、韌性、斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)特性的連續(xù)調(diào)控。特別是“分子阻塞”凝膠的楊氏模量能夠在1.3 GPa至30 kPa的大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)控，變化幅度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的43000倍，有效覆蓋了現(xiàn)有交聯(lián)樹脂、塑料、彈性體和凝膠的范圍。 同時(shí)，“分子阻塞”效應(yīng)作為一種非共價(jià)耗散機(jī)制，賦予了凝膠材料獨(dú)特的粘彈性力學(xué)特性，使其具有高阻尼，在全模量調(diào)控范圍內(nèi)的阻尼系數(shù)大于0.3，最大阻尼系數(shù)達(dá)1.8；在10000 s-1的分離式Hopkinson壓桿測(cè)試中，最大沖擊韌性達(dá)到40.68 MJ m-3，達(dá)到和超過(guò)了商業(yè)化的聚氨酯和聚脲材料。具有超低模量和超高阻尼的“分子阻塞”凝膠可有效保護(hù)雞蛋從1米高處掉落而不發(fā)生破裂，高強(qiáng)度“分子阻塞”凝膠可保護(hù)陶瓷裝甲經(jīng)受步 槍射擊6次而不發(fā)生碎裂，充分驗(yàn)證了這一類材料在沖擊防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。 未來(lái)展望 “分子阻塞”超分子作用可有效提升有機(jī)凝膠材料的穩(wěn)定性和機(jī)械性能，可望推于多種功能材料的構(gòu)建。“分子阻塞”凝膠具有高度可調(diào)的力學(xué)特性和優(yōu)異的阻尼抗沖擊效果，在健康防護(hù)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。上述研究成果，近期發(fā)表于《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院為第一單位，西安交通大學(xué)生命學(xué)院為合作單位。論文第一作者為化學(xué)學(xué)院吳宥伸副教授，論文通訊作者為化學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)張彥峰教授。這一研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金和西安交通大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。 以張彥峰教授為帶頭人的西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院“智能高分子”團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期關(guān)注功能高分子材料，特別是動(dòng)態(tài)高分子材料的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和前沿應(yīng)用，在動(dòng)態(tài)交聯(lián)聚合物復(fù)合材料、高性能彈性體、3D打印和水凝膠材料等研究領(lǐng)域獲得豐富成果。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_532500.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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