通過網絡強度競爭在彈性和塑性之間進行切換

DOI: 10.1002/adma.201906870

在高彈性和高塑性之間轉換材料在許多領域都有很廣的用途，但事實證明這是極具挑戰性的。在本研究中，使用兩個網絡之間的機械強度競爭在混合材料中的彈性和塑性之間切換。在由彈性聚合物網絡和剪切稀化納米纖維網絡組成的凝膠材料中，當前者強于后者時，凝膠具有優異的彈性。相比之下，凝膠具有出色的可塑性，由于納米纖維的取向，其可被拉伸形成永久的各向異性和堅韌的凝膠。通過調整交聯密度或納米纖維的負載量，可以簡單地調整每個網絡的機械強度。這項工作將為材料在彈性和塑性之間進行轉換開辟一條新途徑，這對開發適應性強的材料是有幫助的。

圖1.設計和合成。A）彈性聚合物網絡和剪切稀化納米纖維網絡之間競爭的示意圖。當前者的機械強度高于后者時，凝膠材料表現出良好的彈性。相反，凝膠具有高塑性。B）將DexP預壓在聚合物網絡中，然后浸入氯化鈣溶液中，通過自組裝形成納米纖維，以合成雜化水凝膠。

圖2.兩個網絡之間的機械強度競爭。A，B）具有不同DexP含量的雜化水凝膠在500％應變下的拉伸應力。交聯劑與丙烯酰胺的進料比分別固定為0.00025（A）和0.001（B）。C-E）具有不同DexP含量的凝膠分別在初始、加載和卸載狀態下的照片：C）4 wt％；D）5 wt％；E）6 wt％。交聯劑與丙烯酰胺的進料比固定為0.001。

圖3.彈性和可塑性之間轉換的量化。A，B）DexP含量分別為2 wt％（A）和10 wt％（B）的雜化水凝膠的加載-卸載曲線。C，D）DexP含量分別為2 wt％（C）和10 wt％（D）的凝膠的壓縮-松弛曲線。E，F）DexP含量為2 wt％（E）和10 wt％（F）在壓縮前后的凝膠照片。G）永久變形的凝膠形成的示意圖。

圖4.永久變形的凝膠的機械各向異性。A）含或不含預拉伸的混合水凝膠承受2 kg負荷的照片。B）含或不含預拉伸的凝膠的拉伸應力-應變曲線。C，D）各向異性水凝膠分別在平行和垂直方向上的拉伸應力-應變曲線和相應的彈性模量。插圖顯示了凝膠在平行和垂直方向上承受負荷的差異。E，F）不同方向凝膠的壓縮松弛曲線和相應的彈性模量。G）不同DexP含量凝膠在平行和垂直方向上的拉伸模量。H）典型的各向異性水凝膠的各向異性和力學性能。TiNS代表單層鈦酸酯納米片。

圖5.拉伸誘導的納米纖維取向。A-F）混合水凝膠在拉伸之前和之后的FE-SEM和光學顯微鏡圖像。分別在可見光（B，E）和偏振光（C，F）下拍攝光學照片。G）加載（藍色）和卸載（紅色）后各向異性水凝膠的紫外可見透射光譜。H）各向異性水凝膠在550 nm循環加載和卸載下的紫外可見透射率。I）在加載和卸載狀態下各向異性水凝膠的示意圖和照片。

圖6.各向異性依賴性溶脹和DexP釋放。A）各向異性水凝膠在不同方向上的溶脹。B）含或不含預拉伸的具有不同DexP含量的雜化水凝膠的溶脹。C）含或不含預拉伸的水凝膠中DexP的體外釋放。