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水凝胶涂料-现成的水凝胶涂料

文章来源:北科新材 浏览次数:28时间:2020-08-10 QQ学术交流群:1092348845

(Nanowerk Spotlight)水凝胶是富含水和生物相容性的软聚合物材料。这些材料已经存在了半个多世纪,今天,它们在各个领域和行业中都有许多应用。最近,对环境敏感的(“智能”)水凝胶已成为包括生物医学,生物技术,制药和分离科学在内的各个领域的大量科学研究的主题。
作为一种涂层,水凝胶为规则的固体表面带来许多优势:水凝胶涂层的基材将基材的优异性能(例如强度,刚度和韧性)与水凝胶的优异性能(例如亲水性,润滑性,生物相容性)结合在一起以及药物释放)。
原则上,任何水凝胶都可以涂覆任何底物以通过其结合实现某些功能。这种巨大的多样性使工程和医学领域中许多现有的和新兴的应用成为可能。示例包括软机器人组件,药物输送(例如,使用纳米复合水凝胶),植入物,人造皮肤,等离激元纳米传感器和执行器。
但是,在实验室环境之外制造水凝胶涂料可能很困难。在用于稳定的水凝胶涂层的现有方法中,需要进行三个过程:共价键将单体单元聚合成聚合物链,将聚合物链交联成聚合物网络,以及将聚合物网络互连到基材上。
哈佛大学力学与材料教授Su Zhigang Suo Zhigang Suo告诉Nanowerk: “聚合,交联和交联这三个过程的并发是不必要的,并且阻碍了水凝胶涂料的广泛应用。” “受涂料制造经济学的启发,我们开发了一种水凝胶涂料制备技术,将该技术分为几个步骤。这种逐步合成的模式将聚合反应从交联和交联中分离出来,从而使水凝胶涂料制造商和它的用户。”
Suo和他的团队来自卡夫利生物技术研究所的研究人员,在高级材料(“水凝胶涂料”)中详细介绍了他们的发现。
水凝胶涂料的原理

水凝胶涂料的原理。a)配方:单体单元和偶联剂共聚成聚合物链,但不交联成网络,形成水溶液。该溶液还可以包含具有各种功能的其他化合物,但此处未绘制。b)底物制备:与偶联剂互补的官能团被赋予底物表面。c)涂料:通过各种操作将水溶液涂在基材上。d)固化:偶联剂彼此反应发生交联。(经Wiley-VCH Verlag许可转载)

科学家通过引入硅烷化学实现了聚合,交联和互连过程的解偶联。硅烷是硅和其他原子(例如碳,氮和氢)的广泛化合物。它们通常在水凝胶合成过程中用作共聚过程中的偶联剂。
在不同的步骤中分步生产水凝胶涂料是该领域的一个新概念,但在涂料工业中却是非常基础和普遍的:涂料是在工厂中用任何精密的化学加工和处理方法制造的,然后该产品变得用户友好并且可以在零售商端库存。
该团队的水凝胶涂料是硅烷改性的聚合物链的水溶液,可与目标基材交联和交联。
“我们的水凝胶涂料可以干燥,磨成粉末,并可以保存很长的寿命,”姚锡博士与刘俊杰和杨灿辉博士共同撰写。“重新溶解在水中后,干粉又变成水凝胶涂料,并可以形成交联和交联。”
研究人员指出:“结果是,我们现在能够在安全的生产设施中抑制聚合反应(一种有毒且实验室要求严格的化学过程),并像使用普通涂料一样,从制成的产品中制造出水凝胶涂料。” “水凝胶涂料有一天甚至可能成为具有高端功能和特殊应用方面的特种涂料。”
合成水凝胶涂料后,必须调整其流变性以适应涂料的每种操作。“例如,厚的水凝胶涂料可用于刷子,而稀的水凝胶涂料可用于喷雾,”姚解释说。“水凝胶涂料的流变性可以通过链转移剂(CTA),硅烷含量,水含量以及流变改性剂轻松进行调节。”
与仅由一个反应控制所有合成过程的传统方法相比,该团队设计的解偶联方法可实现更可定制的制备。例如,现在已经可以调节链长和交联速率。
Suo总结说:“我们工作中确立的原理可以适应指导其他化学和特性的水凝胶涂料的开发。” “例如,我们可以根据pH值变化或暴露在紫外线下等提示,进一步使交联和交联解偶联,从而按需实现可分离的水凝胶涂层。交联仍然可以是共价键以保持水凝胶的完整性,但它们之间的联系可以是各种非共价键或动态共价键,以响应各种线索。”


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