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新型高阻尼凝膠材料將為沖擊防護領域帶來新動力

文章來源：賢集網更新時間：2023-09-12 14:37:33

有機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。盡管可以廣泛選擇液體介質和兼容網絡，可以提供更廣泛的性能范圍，但在這一領域的研究報告相對較少。

根據凝膠的含量進行分類

凝膠類型是指膨脹相的性質(氣體、有機液體和水)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)。

當液相是水和有機溶劑的混合物時，有機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絡相互連接或具有清晰的界面，被稱為有機水凝膠或二甲凝膠。

當根據膨脹液體的性質進行分類時，有機凝膠是充滿有機液體的凝膠，包括極性有機溶劑及其水混合物、離子液體、脂肪和油等。這一定義反映了液相在有機凝膠功能中最活躍的作用，以及它們作為一種單獨的凝膠類的多功能性。

有機凝膠的特點及相關應用

定義的獨特特性包括:

1)機械，熱，和環境穩定性，2)特殊潤濕性，3)液體和物質的吸收和釋放，4)對各種刺激的響應，5)電子和離子導電性。實際應用通常需要多種特性的組合，例如，可穿戴電子產品的導電性、響應性和穩定性。

新型高阻尼抗沖擊有機凝膠材料

近年來，凝膠材料因其靈活可調的力學特性和豐富的功能，受到了各領域研究者的極大關注。然而，凝膠材料往往因溶劑的遷移而具有較低的穩定性，容易溶脹或干燥變形，已經成為制約凝膠材料深入應用的瓶頸難題。盡管已經開發了多種策略來提高凝膠的穩定性，然而，從熱力學角度來看，如果凝膠中溶劑的含量偏離了聚合物的平衡溶脹狀態，溶劑將不可避免的發生遷移。因此，若要準確控制凝膠中的溶劑含量，保持高穩定性，需要有效抑制溶劑遷移的動力學過程。

構建思路

機械互鎖作用通過分子結構中的幾何關系將不同的分子連接起來，這使得非共價連接的分子，能夠保持穩定的聚集狀態。西安交通大學化學學院“智能高分子”團隊吳宥伸副教授和張彥峰教授，從機械互鎖超分子原理中汲取靈感，提出了“分子阻塞”超分子機制，利用溶劑分子與交聯網狀結構之間的尺寸差異帶來的阻滯，有效抑制溶劑在凝膠內的遷移。

通過設計和合成分子尺寸超過1.4 nm的液態支鏈檸檬酸酯(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溶劑和交聯網絡的網孔尺寸相當，溶劑難以穿過交聯聚合物移動，有效抑制了溶劑的長程遷移。“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定性，可儲存10個月而無任何形貌或力學性能改變，并能耐受高溫烘烤，保持質量和性能的穩

在沖擊防護領域的應用潛力

基于良好的穩定性，通過精確控制凝膠內溶劑含量，可實現凝膠材料強度、韌性、斷裂伸長率等力學特性的連續調控。特別是“分子阻塞”凝膠的楊氏模量能夠在1.3 GPa至30 kPa的大范圍內連續調控，變化幅度達到創紀錄的43000倍，有效覆蓋了現有交聯樹脂、塑料、彈性體和凝膠的范圍。

同時，“分子阻塞”效應作為一種非共價耗散機制，賦予了凝膠材料獨特的粘彈性力學特性，使其具有高阻尼，在全模量調控范圍內的阻尼系數大于0.3，最大阻尼系數達1.8；在10000 s-1的分離式Hopkinson壓桿測試中，最大沖擊韌性達到40.68 MJ m-3，達到和超過了商業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”凝膠可有效保護雞蛋從1米高處掉落而不發生破裂，高強度“分子阻塞”凝膠可保護陶瓷裝甲經受步槍射擊6次而不發生碎裂，充分驗證了這一類材料在沖擊防護領域的應用潛力。

未來展望

“分子阻塞”超分子作用可有效提升有機凝膠材料的穩定性和機械性能，可望推于多種功能材料的構建。“分子阻塞”凝膠具有高度可調的力學特性和優異的阻尼抗沖擊效果，在健康防護等領域具有重要應用潛力。上述研究成果，近期發表于《先進材料》(Advanced Materials)，西安交通大學化學學院為第一單位，西安交通大學生命學院為合作單位。論文第一作者為化學學院吳宥伸副教授，論文通訊作者為化學學院副院長張彥峰教授。這一研究受到了國家自然科學基金和西安交通大學分析測試中心的支持。

以張彥峰教授為帶頭人的西安交通大學化學學院“智能高分子”團隊，長期關注功能高分子材料，特別是動態高分子材料的創新設計和前沿應用，在動態交聯聚合物復合材料、高性能彈性體、3D打印和水凝膠材料等研究領域獲得豐富成果。

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來源：賢集網
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