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“玻璃凝膠”登場，結(jié)合玻璃和凝膠兩種材料的特性，拉伸能力提高五倍
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-06-24 15:19:00
美國北卡羅來納州立大學(xué)研究人員創(chuàng)造了一種名為“玻璃凝膠”的新材料，這種材料含有超過50%的液體，非常堅(jiān)硬而且難以破碎。由于其生產(chǎn)也比較容易，這種材料有望應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。相關(guān)論文19日發(fā)表在《自然》雜志上。



玻璃態(tài)聚合物在許多消費(fèi)品中非常重要，因?yàn)樗鼈兙哂懈哂捕龋s1 GPa模量）和高強(qiáng)度（斷裂強(qiáng)度10-100 MPa）。當(dāng)這些聚合物溶解后會(huì)形成凝膠，如隱形眼鏡在水中膨脹成凝膠。



凝膠中的溶劑減少了聚合物鏈間的相互作用，使材料變得柔軟，使其更加可拉伸。玻璃態(tài)聚合物干燥、堅(jiān)硬，而凝膠柔軟、可拉伸。韌化凝膠的策略通常包括增加聚合物鏈間的次級(jí)鍵或引入纏結(jié)來分散應(yīng)力。盡管溶劑通常被認(rèn)為降低了材料的硬度，但如果溶劑能增強(qiáng)聚合物鏈間的相互作用，就能同時(shí)保持延展性和強(qiáng)度。



像玻璃聚合物一樣堅(jiān)硬，拉伸能力提高五倍



凝膠和玻璃狀聚合物是歷史上被視為截然不同的兩類材料。玻璃狀聚合物堅(jiān)硬、堅(jiān)硬，往往易碎。它們被用來制造水瓶或飛機(jī)窗戶之類的東西。凝膠——比如隱形眼鏡——含有液體，柔軟而有彈性。



顧名思義，“玻璃凝膠”這種材料像玻璃一樣硬，但在施加足夠的力時(shí)，可以被拉伸到原來長度的5倍而不斷裂。更重要的是，這種材料在拉伸后，還能通過加熱恢復(fù)到原始形狀。



盡管沒有傳統(tǒng)溶劑，但離子液體仍能增加自由體積，從而提高延展性。此外，離子液體會(huì)在聚合物鏈之間形成強(qiáng)大而豐富的非共價(jià)交聯(lián)，從而在室溫下形成堅(jiān)硬、強(qiáng)韌、玻璃狀的均勻網(wǎng)絡(luò)（即無相分離）。



盡管玻璃凝膠的液體含量超過 54 wt%，但其斷裂強(qiáng)度（42 MPa）、韌性（110 MJ m-3）、屈服強(qiáng)度（73 MPa）和楊氏模量（1 GPa）都非常高。這些數(shù)值與聚乙烯等熱塑性塑料相似，但與熱塑性塑料不同的是，玻璃凝膠的變形應(yīng)變可高達(dá) 670%，加熱后可迅速完全恢復(fù)。這些透明材料通過一步聚合形成，具有令人印象深刻的粘合性、自愈性和形狀記憶特性。



結(jié)合玻璃和凝膠兩種材料的特性



玻璃狀凝膠是一種通過光聚合技術(shù)一次性制成的材料，主要成分包括單體（丙烯酸）、交聯(lián)劑（MBAA）、光引發(fā)劑和離子液體（PP）。這種凝膠系列被命名為 PM-S-Cm，表示單體、溶劑和單體的摩爾濃度。制備的凝膠具有高液體含量（>54%），透明度高，與傳統(tǒng)水凝膠 PAA-H2O 相似，但由于聚丙烯的低揮發(fā)性，其重量和機(jī)械性能更穩(wěn)定。



玻璃凝膠結(jié)合了玻璃和凝膠兩種材料的特性。為了制造這種材料，研究人員從玻璃聚合物的液體前體開始，將其與離子液體混合；然后將混合液倒入模具中，暴露在紫外線下，使材料“固化”；最后，研究人員移除模具，留下玻璃狀的凝膠。



離子液體像水一樣是一種溶劑，但它完全由離子組成。通常情況下，當(dāng)向聚合物中添加溶劑時(shí)，溶劑會(huì)推動(dòng)聚合物鏈分離，使聚合物變得柔軟且可拉伸。



這就是為什么濕式隱形眼鏡是柔韌的，而干式隱形眼鏡則不是。



在玻璃凝膠中，溶劑推動(dòng)玻璃聚合物中的分子鏈分離，這使得它可像凝膠一樣拉伸。然而，溶劑中的離子被聚合物強(qiáng)烈吸引，這阻止了聚合物鏈的移動(dòng)。鏈無法移動(dòng)是它呈玻璃狀的原因。具備延展性并在變形過程中消散能量，賦予了優(yōu)異的機(jī)械特性。盡管溶解度高，但玻璃態(tài)凝膠的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）高于室溫，實(shí)現(xiàn)了形狀記憶和自我修復(fù)功能。



玻璃凝膠的一個(gè)關(guān)鍵特性在于，它們50%以上是液體，這使得它們比物理特性類似的普通塑料能更有效地導(dǎo)電。它們也不會(huì)蒸發(fā)或變干燥。



此外，玻璃態(tài)凝膠因與界面形成強(qiáng)相互作用而具備顯著的粘合特性。通過調(diào)整單體和溶劑的比例、選擇和溫度，玻璃態(tài)凝膠可以表現(xiàn)得更像玻璃或凝膠。它們僅需通過光聚合反應(yīng)形成，但機(jī)械性能可與普通塑料相媲美，提供了一種制造新材料的簡單方法，兼具玻璃態(tài)聚合物、熱塑性塑料和凝膠的優(yōu)點(diǎn)。



研究人員發(fā)現(xiàn)，玻璃凝膠可用各種不同的聚合物和離子液體制成，并且制造過程簡單，可在任何類型的模具中固化或通過3D打印來完成。



總結(jié)



凝膠和玻璃，歷來被視為兩類截然不同的材料。現(xiàn)在，玻璃凝膠橫空出世，可以通過調(diào)整單體和溶劑的比例、選擇和溫度，讓它表現(xiàn)得更像玻璃或更像凝膠。它僅需通過光聚合反應(yīng)就可形成，機(jī)械性能卻與普通塑料相當(dāng)。這意味著，通過一種簡單方法，人們就可以獲得兼具玻璃態(tài)聚合物、熱塑性塑料和凝膠優(yōu)點(diǎn)的新材料。

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來源：賢集網(wǎng)
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