北京林業大學郝翔/彭鋒：超快制備有機水凝膠：具有紫外線阻斷、抗凍、抗干燥和皮膚表皮傳感特性

非金非土非木

關注 2021年6月21日 11:34

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摘要

在沒有外部刺激的情況下在室溫下快速制備有機水凝膠是一項挑戰。受植物兒茶酚化學的啟發， 北京林業大學 郝翔博士 / 彭鋒教授 團隊 使用木質素磺酸鈉和銅（ II）離子（Ls-Cu ²⁺ ）建立的自催化系統已被開發并應用于快速制造具有迷人多功能特性的有機水凝膠。

Ls-Cu ²⁺ 對可以在室溫下誘導過硫酸銨 (APS) 產生自由基，隨后在不到 30 秒的時間內引發羥乙基丙烯酰胺 (HEAA) 在水-甘油二元相中的自 由基聚合反應. Ls-Cu ²⁺ 對的存在還賦予有機水凝膠材料迷人的紫外線阻擋（~100%）和導電特性，因此它們可以用作表皮傳感器。 由于甘油的存在，所 制備的有機水凝膠表現出耐人尋味的抗凍（ ~-50°C）和抗干燥能力（22-60°C）。 這項工作挖掘了動態植物兒茶酚化學在有機水凝膠材料領域的潛力。 相關論文以題為 Ultrafast fabrication of organohydrogels with UV-blocking, anti-freezing, anti-drying, and skin epidermal sensing properties using lignin–Cu2+ plant catechol chemistry 發表在《 Journal of Materials Chemistry A 》上。

圖解

Ls-Cu ²⁺ 氧化還原對誘導Ls-Cu@WG-PHEAA有機水凝膠的設計機制

圖 1 (a) 有機水凝膠前體在無/有 Ls-Cu ²⁺ 催化劑的情況下在水-甘油共溶劑中的聚合。(b) 不同的 Cu ²⁺ 濃度和 (c) 不同的水與甘油比例對凝膠化速率的影響。Ls-Cu ²⁺ 對的（d）C 1s 和（e）Cu 2p 區域的 XPS 信號。(f) Ls 電極在 Cu(NO ₃ ) ₂ ·6H ₂ O、甘油、HEAA 和 APS 的混合溶液中的 CV 曲線。

機械性能和防凍 /干燥性能

圖 2 Lsx% 和 WxGy 凝膠的機械性能。

紫外線屏蔽和粘合性能。

圖3 紫外線屏蔽和粘合性能。

圖 3 (a) 覆蓋“BJFU”標志的 2 mm 厚 Ls _x% 凝膠的照片。(b) Lsx% 凝膠在 200 到 800 nm 波長范圍內的透射率。(c) 典型可見光 (550 nm) 和紫外 (365 nm) 光通過 Ls _x% 凝膠的透射率。(d) 證明 Ls0.75% 凝膠具有出色的紫外線阻擋能力。(e) 在凝膠厚度和紫外線屏蔽能力方面比較我們的工作和參考結果的圖表。凝膠粘附在各種基材表面的照片，包括 (f) 紙、玻璃、樹葉、花瓣、木材、橡膠、磁鐵、葡萄、鋁、石頭、聚四氟乙烯 (PTFE)、銀 和鈦箔和 (g) 人類手臂的表皮。(h) 通過搭接剪切強度測試對凝膠的粘附定量的示意圖。(i) W ₁ G ₂ 凝膠在五種典型基材上的粘附強度。(j) W _x G _y 凝膠在單一木材基材上的粘附強度。

表皮感覺研究

圖 4 (a) W _x G _y 凝膠的電導率。(b) 不含和含甘油的凝膠（W ₁ G ₀ 和W ₂ G ₁ ）在 -20 °C 下的燈泡亮度演示。(c) 相對電阻變化 (ΔR/R ₀ ) 與外加應變之間的關系。W ₂ G ₁ 凝膠組裝成可穿戴表皮傳感器，實時監測人體動作和細微發音。當女孩彎曲她的手背 (d) [(e) 是 (d)] 和手指 (f) 的放大圖像，并發音“是或否”(g) 時，監測相對阻力變化。

總結

總之，團隊展示了一種通過自催化 Ls-Cu ²⁺ 系統制備具有導電性、抗凍性、自粘附性和抗紫外線能力的有機水凝膠的簡單方法。Ls-Cu ²⁺ 自氧化還原對在含有甘油和水的二元溶劑中保持動態醌-鄰苯二酚氧化還原平衡，可有效加速羥基自由基的產生，觸發聚合物單體（HEAA）的超快速聚合，而無需去除氧。可以通過調整 Cu ²⁺ 濃度或水與甘油的比例來協調凝膠化率。盡管快速聚合，制備的凝膠也表現出很好的機械性能。此外，由于 Ls-Cu ²⁺ 和甘油的存在，可以將紫外線阻擋、防凍/干燥、自粘和導電性能整合到凝膠中。 團隊 設想 Ls-Cu ²⁺ 對可以作為一種強大的工具來實現具有多功能特性但高效運行的凝膠材料 。

參考文獻 ：

doi.org/10.1039/D1TA02139G

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