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中科院江雷院士团队郭兴林副研究员等开发了抗溶胀、可复水的防污水凝胶
2020-05-24  来源:高分子科技

  水凝胶代表着一类高含水量的软材料,由于其出色的生物相容性、可调节的力学性能等特点被广泛地应用于生物医疗设备、软机器人以及海洋防污工业中。但是水凝胶的溶胀特性和失水后的不可完全恢复性严重影响了其机械性能、光学透明性、表面的润湿性以及抗生物污损表现,极大地限制了水凝胶的实际应用。此外,海洋生物污损现象一直以来是海洋工业中的全球性问题,有效控制而不会同时造成恶劣的环境污染是一个巨大的挑战,水凝胶近年来被认为是最具潜力的防污涂层。因此,开发抗溶胀、可规则复水、机械性能稳定和透明的防污水凝胶具有重要的意义。


  针对这些问题,江雷院士仿生智能界面研究团队的郭兴林副研究员等人通过利用亲疏水二元协同效应并且引入两性离子成功的开发了不溶胀、可规则复水、力学性能稳定且透明的防污水凝胶。该研究成果以题为“Hydrophilic/Hydrophobic Heterogeneity Anti-Biofouling Hydrogels with Well-Regulated Rehydration”的论文发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》


图1. 抗溶胀、复水以及防污水凝胶的设计原理图


  一方面疏水网络在水中的收缩作用有效限制了水凝胶的溶胀,另一方面,两性离子的强烈水合能力可以使水凝胶快速地吸水保证失水后的凝胶可以完全恢复到原来的状态,此外,由于离子之间的排斥作用及其优异的亲水性,使得两性离子在水凝胶表面翻转聚集形成水合膜,从而赋予水凝胶出色的抗生物污损性能。


图2.水凝胶在不同尺度的规则复水表现


  对于常规水凝胶如PVA由于其失水后由分子间氢键转变为分子内氢键影响着其复水表现,而PAM水凝胶溶胀严重,而PHEM-5%D水凝胶不溶胀且在不同尺度均具有出色的规则复水表现。


图3. 水凝胶的亲疏水微区及其润湿性能表现


  激光共聚焦以及显微镜下证实了亲疏水微区的存在,并且由于两性离子的引入极大地降低了相分离现象,使得该水凝胶还具有出色的透明性。此外,水凝胶表面润湿性能的转变也证实了两性离子的翻转聚集从而可以形成水合膜。


图4.水凝胶的抗生物污损性能,抗藻类附着以及实际海洋防污测试


  抗海藻附着实验以及实际海洋防污测试表明水凝胶具有出色的抗生物污损表现。(在实际海洋防污实验中,以污损最为严重的藤壶作为典型的代表进行了调查,大连,渤海)


  论文链接:https://dx.doi.org/10.1021/acsami.0c05406

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