金属离子配位交联的热敏双网络水凝胶环境响应性黏附行为

doi:10.7503/cjcu20230192

高等学校化学学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (8): 20230192.doi: 10.7503/cjcu20230192

• 高分子化学 • 上一篇

金属离子配位交联的热敏双网络水凝胶环境响应性黏附行为

陈顺兰¹, 许丹妮¹, 李学锋²^,³(), 彭格格¹, 黄以万¹^,³, 龙世军¹^,³, 张高文¹^,³

^1.湖北工业大学材料与化学工程学院, 武汉 430068
^2.湖北隆中实验室, 襄阳 441000
^3.湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室, 武汉 430068

收稿日期:2023-04-18 出版日期:2023-08-10 发布日期:2023-06-08
通讯作者: 李学锋 E-mail:li_xf@hbut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52073083);湖北隆中实验室自主创新项目(2022ZZ-16)

Environmental Responsive Adhesion Behavior of Metal Ion Crosslinked Thermosensitive Double Network Hydrogel

CHEN Shunlan¹, XU Danni¹, LI Xuefeng²^,³(), PENG Gege¹, HUANG Yiwan¹^,³, LONG Shijun¹^,³, ZHANG Gaowen¹^,³

^1.School of Materials and Chemical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China
^2.Hubei Longzhong Laboratory，Xiangyang 441000，China
^3.Hubei Key Laboratory of Green Light Industry Materials，Hubei University of Technology，Wuhan 430068，China

Received:2023-04-18 Online:2023-08-10 Published:2023-06-08
Contact: LI Xuefeng E-mail:li_xf@hbut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52073083);the Independent Innovation Projects of the Hubei Longzhong Laboratory, China(2022ZZ-16)

摘要/Abstract

摘要：

采用“一锅法”制备了具有环境响应性黏附的热敏双网络水凝胶(TDN). 研究结果表明, TDN_87.5水凝胶的剪切粘接强度最佳(26.53 kPa). 进一步引入多种价态的金属离子配位交联TDN_87.5热敏水凝胶, 拉伸强度提高 1倍以上(由TDN_87.5水凝胶的172.46 kPa提高至TDN_87.5‐Zr水凝胶的373.72 kPa), 相应剪切粘接强度提高约 16倍(由26.53 kPa提高至447.29 kPa). 通过调整浸泡Zr⁴⁺溶液的浓度、时间和温度等, 得到剪切粘接强度最优(552.62 kPa)的TDN_87.5‐Zr_0.3@90 ℃水凝胶, 并对多种方法调控TDN热敏水凝胶黏附行为的原理展开讨论, 为开发同时具有高强度、高界面黏附性能和可控形状变形的新型水凝胶提供了一个新的思路.

关键词: 热敏水凝胶, 金属离子配位, 黏附性能, 环境响应性

Abstract:

A thermally responsive double-network hydrogel（TDN） with environmental response adhesion was prepared by the “one-pot method”， and it was found that TDN_87.5 hydrogel had the best shear bond strength（26.53 kPa）. Further introducing metal ion coordination crosslinking TDN_87.5 thermal hydrogels with multiple valence states， it was found that the tensile strength increased by more than 1 times（from 172.46 kPa of TDN_87.5 hydrogel to 373.72 kPa of TDN_87.5-Zr hydrogel）， and the corresponding shear bond strength increased by about 16 times（from 26.53 kPa to 447.29 kPa）. Furthermore， by adjusting the concentration， time and temperature of soaking Zr⁴⁺， a TDN_87.5-Zr_0.3@90 ℃ hydrogel with the best shear adhesion strength（552.62 kPa） was obtained， and the principle of regulating the adhesion behavior of TDN thermal hydrogel by multiple methods was discussed， which provided a new idea for the development of a new hydrogel with high strength， high interfacial adhesion performance and controllable shape deformation.

Key words: Heat-sensitive hydrogel, Metal ion coordination, Adhesion property, Environmental responsiveness

中图分类号:

O631

TrendMD:

陈顺兰, 许丹妮, 李学锋, 彭格格, 黄以万, 龙世军, 张高文. 金属离子配位交联的热敏双网络水凝胶环境响应性黏附行为. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230192.

CHEN Shunlan, XU Danni, LI Xuefeng, PENG Gege, HUANG Yiwan, LONG Shijun, ZHANG Gaowen. Environmental Responsive Adhesion Behavior of Metal Ion Crosslinked Thermosensitive Double Network Hydrogel. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(8): 20230192.

图/表 11

Fig.1 Force‐displacement curves(A) and shear bond strength(B) of TDN hydrogel with different NIPAm contents at 80 ℃ water bath

Fig.2 Contact angles(A), tensile stress‐strain curves(B), water content and Young’s modulus(C) of TDN87.5 hydrogel in 20 ℃ and 80 ℃ water bath and SEM images of the cross⁃sectional morphology of the TDN87.5@20 ℃(D) and TDN87.5@80 ℃(E) hydrogel

Fig.3 Tensile stress‐strain curves(A), tensile strength and strain(B), and tensile work and young’s modulus(C) of TDN87.5 hydrogels crosslinked with different metal ions at 20 ℃

Fig.4 Contact angles of TDN87.5 hydrogels crosslinked with different metal ions at 20 ℃(A) and 80 ℃ water bath(B), respectively

Fig.5 Force‐displacement curve(A) and shear bond strength(B) after phase separation equilibrium in water at high temperature(80 °C)

Fig.6 FTIR spectra of PNaAMPS hydrogel, PNIPAm hydrogel and PAAm hydrogel(A), FTIR spectra(B) and Raman spectra(C) of TDN87.5 hydrogel before and after Zr4+ crosslinking

Fig.7 Morphological changes of TDN87.5‐Zr hydrogel immersed in 80 ℃ water bath, volume shrinkage of TDN87.5‐Zr hydrogel at 80 ℃(B) and SEM images of the cross‐sectional morphology of TDN87.5‐Zr0.3@20 ℃ hydrogel(C) and TDN87.5‐Zr0.3@80 ℃ hydrogel(D)(A) (i) Swelling equilibrium state at 20 ℃, gel is transparent; (ⅱ) severe phase separation at 80 ℃, gel is white; (ⅲ) medium phase separation at 80 ℃, white in the middle and transparent around; (ⅳ) phase equilibrium at 80 ℃, gel is transparent.

Fig.8 Force‐displacement curve(A) and shear bond strength(B) of TDN87.5‐Zr hydrogel during immersing in 80 ℃ water bath

Fig.9 Force‐displacement curve(A), shear bond strength(B) and contact angles(C) of TDN87.5‐Zr hydrogels with different Zr4+ concentrations in 80 ℃ water bath

Fig.10 Force‐displacement curve(A) and shear bond strength(B) of TDN87.5‐Zr0.3 hydrogels with different temperature water bath

Fig.11 Tensile stress‐strain curve(A), water content and Young’s modulus(B) of TDN87.5‐Zr0.3@90 ℃ hydrogel in three statesState I: low temperature swelling equilibrium; state Ⅱ: high temperature phase equilibrium and state Ⅲ: room temperature volatile state.

参考文献 21

1	Mu S. J.， Andrade J. D.， J. Biomed. Mater. Res.， 1973， 7（6）， 509—522
2	Ghobril C.， Grinstaff M. W.， Chem. Soc. Rev.， 2015， 44（7）， 1820—1835
3	Qu X. Y.， Wang S. Y.， Zhao Y.， Huang H.， Wang Q.， Shao J. J.， Wang W. J.， Dong X. C.， Chem. Eng. J.， 2021， 425， 131523
4	Yuan L.， Wu Y.， Gu Q. S.， Hany E. H.， Mohamed E. N.， Int. J. Biol. Macromol.， 2017， 96， 569—577
5	Feng L.， Jia S.， Chen Y.， Liu Y.， Chem. Eur. J.， 2020， 26（62）， 14080—14084
6	Yuk H. W.， Varela C. E.， Nabzdyk C. S.， Mao X. Y.， Padera R. F.， Nature， 2019， 575（7781）， 169—174
7	Annabi N.， Yue K.， Tamayol A.， Khademhosseini A.， Eur. J. Pharm. Biopharm.， 2015， 95， 27—39
8	Hong S. H.， Shin M.， Park E.， Ryu J. H.， Burdick J. A.， Lee H. S.， Adv. Funct.， 2019， 30（26）， 1908497
9	Smithmyer M. E.， Deng C. C.， Cassel S. E.， LeValley P. J.， Sumerlin B. S.， Kloxin A. M.， ACS.， Macro. Lett.， 2018， 7（9）， 1105—1110
10	Marco D. B.， Iten R.， Tibbitt M. W.， J. Am. Chem. Soc.， 2020， 142（43）， 18730—18731
11	Frazar E. M.， Saha R. A.， Dziubla T. D.， Hilt J. Z.， J. Appl. Polym. Sci.， 2020， 137（25）， 48770
12	Takigawa T.， Yamawaki T.， Takahashi K.， Masuda T.， Polym. Gels Networks， 1998， 5（6）， 585—589
13	Li X. F.， Wang Y. L.， Li D. P.， Shu M. M.， Shang L. L.， Xia M.， Huang Y. W.， Soft Matter.， 2021， 17（28）， 6688—6696
14	Yang C.， Wang X.， Liu Z. S. Lei H. G.， Song L. M.， Chemical Engineering & Equipment， 2022， 306（7）， 12—14
	杨钗，王璇，刘祚杓，雷宏刚，宋立美. 化学工程与装备， 2022， 306（7）， 12—14
15	Guo H. T.， Huang H.， Li Y.， Lu S. K.， Xue M. H.， Weng W.， Zheng T.， Chem. Commun.， 2019， 55（92）， 13848—13851
16	Frederix P.W.， Scott G. G.， Abul⁃Hajja Y. M.， Kalafatovic D.， Pappas C. G.， Javid N.， Hunt N. T.， Ulijn R. V.， Tuttle T.， Nat. Chem.， 2015， 7（1）， 30—37
17	Yan H.， Tang P.， Li S. H.， Zhao T. Y.， Liu M. J.， Chem. J. Chinese Universities， 2020， 41（5）， 936—946
	严昊，唐萍，李书宏，赵天艺，刘明杰. 高等学校化学学报， 2020， 41（5）， 936—946
18	Ji W.， Yuan C. Q.， Ziberzwige-Tal S.， Xing R.， Chakraborty P.， Tao K.， Gilead S.， Yan X. H.， Gazit E.， ACS Nano， 2019， 13（6）， 7300—7309
19	Danirl J. P.， Matthew I. G.， Polym. Chem.， 2015， 6（7）， 1033—1043
20	Ganesh V. A.， Baji A.， Ramakrishna S.， RSC Adv.， 2014， 4（95）， 53352—53364
21	Yu H. C.， Li C. Y.， Du M.， Song Y. H.， Wu Z. L.， Zheng Q.， Macromolecules， 2019， 52（2）， 629—638

[1]	陈辰, 陆馨, 赵玉棣, 王立通, 辛忠. 3-甲基邻苯二酚/糠胺型聚苯并噁嗪的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(12): 3757.
[2]	温幸, 唐黎明, 林晚心. 以金属凝胶纤维为模板制备环境响应型共聚物一维纳米结构[J]. 高等学校化学学报, 2015, 36(1): 180.
[3]	刘云鸿, 李光吉, 罗熙雯, 彭新艳, 王立莹. UV光引发表面接枝两性离子水凝胶层的制备及抗细菌黏附性能[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(6): 1527.
[4]	成中军, 杜明, 来华, 张乃庆, 孙克宁. 氨气腐蚀法制备黏附性能可控的超疏水铜表面[J]. 高等学校化学学报, 2013, 34(3): 606.

金属离子配位交联的热敏双网络水凝胶环境响应性黏附行为

Environmental Responsive Adhesion Behavior of Metal Ion Crosslinked Thermosensitive Double Network Hydrogel

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献 21

相关文章 4

编辑推荐

Metrics

本文评价