氢键型水凝胶自修复行为的Monte Carlo模拟

doi:10.7503/cjcu20220482

高等学校化学学报 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (11): 20220482.doi: 10.7503/cjcu20220482

氢键型水凝胶自修复行为的Monte Carlo模拟

高慧玲¹, 曹珍珍¹, 顾芳¹(), 王海军¹^,²^,³()

^1.河北大学化学与环境科学学院
^2.河北省化学生物学重点实验室
^3.教育部药物化学与分子诊断重点实验室, 保定 071002

收稿日期:2022-07-15 出版日期:2022-11-10 发布日期:2022-08-21
通讯作者: 顾芳,王海军 E-mail:fanggu@hbu.edu.cn;whj@hbu.edu.cn
基金资助:
河北省自然科学基金(B2022201050);河北省省级研究生示范课程项目(KCJSX2021007)

Monte Carlo Simulation on Self-healing Behaviour of Hydrogen-bonded Hydrogel

GAO Huiling¹, CAO Zhenzhen¹, GU Fang¹(), WANG Haijun¹^,²^,³()

^1.College of Chemistry and Environmental Science
^2.Chemical Biology Key Laboratory of Hebei Province
^3.Key Laboratory of Medicinal Chemistry and Molecular Diagnosis，Ministry of Education，Hebei University，Baoding 071002，China

Received:2022-07-15 Online:2022-11-10 Published:2022-08-21
Contact: GU Fang,WANG Haijun E-mail:fanggu@hbu.edu.cn;whj@hbu.edu.cn
Supported by:
the Natural Science Foundation of Hebei Province, China(B2022201050);the Postgraduate Model Course of Hebei Province, China(KCJSX2021007)

摘要/Abstract

摘要：

基于氢键型自修复水凝胶的结构特征构建了其横截面的格气模型, 并利用Monte Carlo模拟方法对其自修复行为进行研究. 首先根据自修复过程中的比热峰值确定了氢键的临界联结分数, 然后重点考察了氢键强度、合作效应以及平均断面间距对其自修复行为的影响. 在此基础上, 进一步研究了氢键型凝胶的动态修复过程, 讨论了相关因素对自修复时间等动态性质的影响. 结果表明, 氢键型凝胶的自修复在本质上归属于一级热力学相变, 且氢键强度是自修复过程中的最关键因素. 同时, 初始断面间距和格子间的合作效应也可显著影响凝胶的自修复行为.

关键词: 氢键型水凝胶, 自修复, 格气模型, 相变

Abstract:

We present a lattice gas model for the cross sections of a hydrogen bonded（HB） self-healing hydrogel， and then the Monte Carlo method is employed to simulate its self-healing behavior. The peak of the specific heat in the self-healing process is obviously observed， by which the critical association fraction of hydrogen bonds is obtained to determine whether the self-healing can take place. Furthermore， the influences of the HB strength， cooperation effect， and the separation between the cross sections on the self-healing process are investigated. Consequently， the self-healing of the HB hydrogel is identified as the first-order thermodynamic phase transition， as expected. The HB strength plays the key role not only in thermodynamics but also in dynamics of self-healing process.

Key words: Hydrogen bonded Hydrogel, Self-healing, Lattice gas model, Phase transition

中图分类号:

O631

TrendMD:

高慧玲, 曹珍珍, 顾芳, 王海军. 氢键型水凝胶自修复行为的Monte Carlo模拟. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220482.

GAO Huiling, CAO Zhenzhen, GU Fang, WANG Haijun. Monte Carlo Simulation on Self-healing Behaviour of Hydrogen-bonded Hydrogel. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220482.

图/表 5

Fig.1 Specific heat(CSH) and association fraction(f) against βμ under different μ/J

Fig.2 Plots of f against βμ under various conditions（A） l=0.5 at different μ/J；（B） μ/J =8 at different l.

Fig.3 Plots of f against μ/J under various conditions（A） βμ=5.0 at different l；（B） l=0.5 at different βμ.

Fig.4 Plots of f against l under various conditions（A） βμ=5.0 at different μ/J；（B） μ/J =8 at different βμ.

Fig.5 Plots of MCS against βμ under various conditions（A） μ/J =8 at different l；（B） l=0.99 at different μ/J.

参考文献 38

1	Taylor D. L.， in het Panhuis M.， Adv. Mater.， 2016， 28（41）， 9060—9093
2	Tu Y. J.， Chen N.， Li C. P.， Liu H. Q.， Zhu R.， Chen S. F.， Xiao Q.， Liu J. H.， Ramakrishna S.， He L. M.， Acta Biomater.， 2019， 90， 1—20
3	Fu C. P.， Huang W. S.， Lu X. C.， Wang S. B.， Zhang L. M.， Chen A. Z.， Chin. Sci. Bull.， 2022， 67（21）， 2473—2481
	傅超萍，黄伟森，卢晓畅，王士斌，张黎明，陈爱政. 科学通报， 2022， 67（21）， 2473—2481
4	Chang G. R.， Chen Y.， Li Y. J.， Li S. K.， Huang F. Z.， Shen Y. H.， Xie A. J.， Carbohyd. Polym.， 2015， 122， 336—342
5	Li D. Q.， Wang S. Y.， Meng Y. J.， Guo Z. W.， Cheng M. M.， Li J.， Carbohyd. Polym.， 2021， 268， 118244
6	Qu J.， Zhao X.， Liang Y. P.， Zhang T. L.， Ma P. X.， Guo B. L.， Biomaterials， 2018， 183， 185—199
7	Chen J. Y.， He J. H.， Yang Y. T.， Qiao L. P.， Hu J.， Zhang J.， Guo B. L.， Acta Biomater.， 2022， 146， 119—130
8	Huang W. J.， Wang Y. X.， Huang Z. Q.， Wang X. L.， Chen L. Y.， Zhang Y.， Zhang L. N.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（48）， 41076—41088
9	Li S. X.， Wang L.， Zheng W. F.， Yang G.， Jiang X. Y.， Adv. Funct. Mater.， 2020， 30（31）， 2002370
10	Hou S.， Wang X. F.， Park S.， Jin X. B.， Ma P. X.， Adv. Healthcare Mater.， 2015， 4（10）， 1491—1495
11	Saunders L.， Ma P. X.， Macromol. Biosci.， 2019， 19（1）， 1800313
12	Tseng T. C.， Tao L.， Hsieh F. Y.， Wei Y.， Chiu I. M.， Hsu S. H.， Adv. Mater.， 2015， 27（23）， 3518—3524
13	Choi Y.， Kim C.， Kim H. S.， Moon C.， Lee K. Y.， Colloid Surface B， 2021， 208， 112108
14	Caprioli M.， Roppolo I.， Chiappone A.， Larush L.， Pirri C. F.， Magdassi S.， Nat. Commun.， 2021， 12（1）， 2462
15	Kim Y.， Parada G. A.， Liu S. D.， Zhao X. H.， Sci. Robot.， 2019， 4（33）， eaax7329
16	Liu H. W.， Wei F.， Wan L.， Gu F.， Wang H. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2018， 39（2）， 367—372
	刘洪婉，魏芳，万丽，顾芳，王海军. 高等学校化学学报， 2018， 39（2）， 367—372
17	Mo J. Y.， Dai Y. H.， Zhang C.， Zhou Y. S.， Li W. B.， Song Y. X.， Wu C. Y.， Wang Z. K.， Mater. Horiz.， 2021， 8（12）， 3409—3416
18	Ling Q. J.， Liu W. T.， Liu J. C.， Zhao L.， Ren Z. J.， Gu H. B.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2022， 14（21）， 24741—24754
19	Li Y. S.， Xu Y. S.， Tao L.， Wei Y.， Acta Polym. Sin.， 2020， 51（1）， 30—38
	李永三，徐艳双，陶磊，危岩. 高分子学报， 2020， 51（1）， 30—38
20	Ding X. Y.， Wang Y.， Li G.， Xiao C. S.， Chen X. S.， Acta Polym. Sin.， 2019， 50（5）， 505—515
	丁晓亚，王宇，李杲，肖春生，陈学思. 高分子学报， 2019， 50（5）， 505—515
21	Fang X.， Li Y. X.， Li X.， Liu W. M.， Yu X. H.， Yan F.， Sun J. Q.， ACS Mater. Lett.， 2020， 2（7）， 764—770
22	Hu R. F.， Zhao J.， Wang Y. H.， Li Z. X.， Zheng J. P.， Chem. Eng. J.， 2019， 360， 334—341
23	Wang Y. X.， Niu J. Y.， Hou J.， Wang Z. C.， Wu J. N.， Meng G. H.， Liu Z. Y.， Guo X. H.， Polymer， 2018， 135， 16—24
24	Dou X. Y.， Wang X.， Wu D. C.， Acta Polym. Sin.， 2019， 50（5）， 429—441
	窦雪宇，王星，吴德成. 高分子学报， 2019， 50（5）， 429—441
25	Sun C. Y.， Jia H. Y.， Lei K.， Zhu D. D.， Gao Y. H.， Zheng Z.， Wang X. L.， Polymer， 2019， 160， 246—253
26	Lin Y. L.， Li G. J.， J. Mater. Chem. B， 2014， 2（39）， 6878—6885
27	Cui J. X.， del Campo A.， Chem. Commun.， 2012， 48（74）， 9302—9304
28	Zhang C. Y.， Wang M. X.， Jiang C. H.， Zhu P. Z.， Sun B. Q.， Gao Q.， Gao C. X.， Liu R. Y.， Nano Energy， 2022， 95， 106991
29	Ma M. L.， Yang J. M.， Ye Z. P.， Dong A. J.， Zhang J. W.， Zhang J. H.， Macromol. Mater. Eng.， 2021， 306（2）， 2000577
30	Chimowitz E. H.， Introduction to Critical Phenomena in Fluids， Oxford University Press， New York， 2005， 157—188
31	Muller N.， Acc. Chem. Res.， 1990， 23（1）， 23—28
32	Wang H. J.， Hong X. Z.， Gu F.， Ba X. W.， Sci. China B： Chem.， 2006， 49（6）， 499—506
33	Teixeira⁃Dias J. J. C.， Molecular Physical Chemistry， Springer， Switzerland， 2017， 349—357
34	Heermann D. W.， Computer Simulation Methods in Theoretical Physics， Springer⁃Verlag， Berlin， 1990， 51—103
35	Peng Y.， Hou Y. J.， Shen Q. Q.， Wang H.， Li G.， Huang G. S.， Wu J. R.， Acta Polym. Sin.， 2020， 51（2）， 158—165
	彭燕，侯雨佳，申巧巧，王辉，李刚，黄光速，吴锦荣. 高分子学报， 2020， 51（2）， 158—165
36	Wang H. Q.， Su Z. M.， Li C. H.， Chin. Sci. Bull.， 2020， 65（1）， 37—52
	王洪芹，苏治名，李承辉. 科学通报， 2020， 65（1）， 37—52
37	Li L.， Hu J. L.， Li L.， Song F.， Soft Matter， 2019， 15（17）， 3507—3514
38	Li L.， Hu J. L.， Różycki B.， Song F.， Nano Lett.， 2020， 20（1）， 722—728

[1]	高健, 冯奕钰, 方文宇, 王慧, 葛婧, 封伟. 基于低温热释放的烷基接枝相变偶氮苯材料[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(8): 20220146.
[2]	闫嘉森, 韩现英, 党兆涵, 李建刚, 何向明. 石蜡/膨胀石墨/石墨烯复合相变储热材料的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220054.
[3]	杨隽阁, 高成乾, 李博鑫, 尹德忠. 改性氧化石墨烯稳定Pickering乳液法制备高导热相变整体材料[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210593.
[4]	储瑶, 王烁, 张子诺, 王艺博, 蔡以兵. 铜粒子负载泡沫基相变复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210619.
[5]	杨伟明, 席澳千, 杨斌, 曾艳宁. 基于多重动态共价键的环氧类玻璃网络的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220308.
[6]	李聪, 刘欢欢, 杨桂花, 田中建, 颜家强, 吉兴香, 韩文佳, 陈嘉川. 基于肟-氨基甲酸酯的超强自修复水性聚氨酯胶粘剂的制备及性能分析[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2651.
[7]	王琳琳, 李磊, 冯圣玉. 有机硅超分子材料研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(7): 2111.
[8]	王乐, 秦刘磊, 刘洋, 任丽, 徐慧婷, 刘尊奇. 一维链状氢键型甘氨酸超分子化合物[(Gly)₂⁺(18-crown-6)₂(MnCl₄)²^‒]的合成、结构及介电性质[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(3): 691.
[9]	郭文瑾, 王晓晗, 李想, 李洋, 孙俊奇. 基于金属配位键的自修复、可重塑聚丁二烯橡胶的合成及性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2090.
[10]	李博鑫, 杨隽阁, 尹德忠, 高成乾, 张秋禹. 单分散聚合物微球稳定Pickering乳液法制备大粒径微胶囊相变材料[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(9): 2085.
[11]	盛叶明,程波,卢珣. 基于多重可逆作用的自修复聚氨酯弹性体的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(3): 572.
[12]	李晔飞, 刘智攀. 固体异质结界面结构预测方法及AutoInterface程序实现[J]. 高等学校化学学报, 2020, 41(11): 2383.
[13]	林木松, 彭磊, 张晟, 李丽, 付强, 侯君波. 电缆护套光屏蔽自愈合涂料的制备及性能[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(8): 1766.
[14]	赵宇轩, 陈艳君, 潘顾鑫, 王畅, 彭振博, 孙宗旭, 梁永日, 师奇松. 静电纺丝制备Tb-PEG+Eu-PEG/PANI/PAN荧光导电相变三功能复合纤维[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(4): 824.
[15]	陈缘,赵雪静,梁宏伟,吴秀文,张金林. 乳化工艺对微胶囊型硬脂酸相变材料热性质的影响[J]. 高等学校化学学报, 2019, 40(10): 2149.

氢键型水凝胶自修复行为的Monte Carlo模拟

Monte Carlo Simulation on Self-healing Behaviour of Hydrogen-bonded Hydrogel

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 5

参考文献 38

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价