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新型高阻尼凝胶材料将为冲击防护领域带来新动力

文章来源：贤集网更新时间：2023-09-12 14:37:33

有机凝胶是一类重要的凝胶，由于其作为液体注入软材料的特性，与水凝胶相当。尽管可以广泛选择液体介质和兼容网络，可以提供更广泛的性能范围，但在这一领域的研究报告相对较少。

根据凝胶的含量进行分类

凝胶类型是指膨胀相的性质(气体、有机液体和水)或最具功能的成分(例如，氟化单体、离子液体、磁凝胶和聚乙二醇)。

当液相是水和有机溶剂的混合物时，有机凝胶和水凝胶可以重叠。凝胶，其中液相和/或相反极性的三维网络相互连接或具有清晰的界面，被称为有机水凝胶或二甲凝胶。

当根据膨胀液体的性质进行分类时，有机凝胶是充满有机液体的凝胶，包括极性有机溶剂及其水混合物、离子液体、脂肪和油等。这一定义反映了液相在有机凝胶功能中最活跃的作用，以及它们作为一种单独的凝胶类的多功能性。

有机凝胶的特点及相关应用

定义的独特特性包括:

1)机械，热，和环境稳定性，2)特殊润湿性，3)液体和物质的吸收和释放，4)对各种刺激的响应，5)电子和离子导电性。实际应用通常需要多种特性的组合，例如，可穿戴电子产品的导电性、响应性和稳定性。

新型高阻尼抗冲击有机凝胶材料

近年来，凝胶材料因其灵活可调的力学特性和丰富的功能，受到了各领域研究者的极大关注。然而，凝胶材料往往因溶剂的迁移而具有较低的稳定性，容易溶胀或干燥变形，已经成为制约凝胶材料深入应用的瓶颈难题。尽管已经开发了多种策略来提高凝胶的稳定性，然而，从热力学角度来看，如果凝胶中溶剂的含量偏离了聚合物的平衡溶胀状态，溶剂将不可避免的发生迁移。因此，若要准确控制凝胶中的溶剂含量，保持高稳定性，需要有效抑制溶剂迁移的动力学过程。

构建思路

机械互锁作用通过分子结构中的几何关系将不同的分子连接起来，这使得非共价连接的分子，能够保持稳定的聚集状态。西安交通大学化学学院“智能高分子”团队吴宥伸副教授和张彦峰教授，从机械互锁超分子原理中汲取灵感，提出了“分子阻塞”超分子机制，利用溶剂分子与交联网状结构之间的尺寸差异带来的阻滞，有效抑制溶剂在凝胶内的迁移。

通过设计和合成分子尺寸超过1.4 nm的液态支链柠檬酸酯(branched citrate ester, BCE)，并将这种大体积分子作为溶剂与交联聚脲原位聚合，制备获得系列新型“分子阻塞”凝胶。由于大体积BCE溶剂和交联网络的网孔尺寸相当，溶剂难以穿过交联聚合物移动，有效抑制了溶剂的长程迁移。“分子阻塞”凝胶具有与普通聚合物或弹性体相媲美的卓越稳定性，可储存10个月而无任何形貌或力学性能改变，并能耐受高温烘烤，保持质量和性能的稳

在冲击防护领域的应用潜力

基于良好的稳定性，通过精确控制凝胶内溶剂含量，可实现凝胶材料强度、韧性、断裂伸长率等力学特性的连续调控。特别是“分子阻塞”凝胶的杨氏模量能够在1.3 GPa至30 kPa的大范围内连续调控，变化幅度达到创纪录的43000倍，有效覆盖了现有交联树脂、塑料、弹性体和凝胶的范围。

同时，“分子阻塞”效应作为一种非共价耗散机制，赋予了凝胶材料独特的粘弹性力学特性，使其具有高阻尼，在全模量调控范围内的阻尼系数大于0.3，最大阻尼系数达1.8；在10000 s-1的分离式Hopkinson压杆测试中，最大冲击韧性达到40.68 MJ m-3，达到和超过了商业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”凝胶可有效保护鸡蛋从1米高处掉落而不发生破裂，高强度“分子阻塞”凝胶可保护陶瓷装甲经受步枪射击6次而不发生碎裂，充分验证了这一类材料在冲击防护领域的应用潜力。

未来展望

“分子阻塞”超分子作用可有效提升有机凝胶材料的稳定性和机械性能，可望推于多种功能材料的构建。“分子阻塞”凝胶具有高度可调的力学特性和优异的阻尼抗冲击效果，在健康防护等领域具有重要应用潜力。上述研究成果，近期发表于《先进材料》(Advanced Materials)，西安交通大学化学学院为第一单位，西安交通大学生命学院为合作单位。论文第一作者为化学学院吴宥伸副教授，论文通讯作者为化学学院副院长张彦峰教授。这一研究受到了国家自然科学基金和西安交通大学分析测试中心的支持。

以张彦峰教授为带头人的西安交通大学化学学院“智能高分子”团队，长期关注功能高分子材料，特别是动态高分子材料的创新设计和前沿应用，在动态交联聚合物复合材料、高性能弹性体、3D打印和水凝胶材料等研究领域获得丰富成果。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_532500.html
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