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国科大温研院陈强/川大崔为/瓯江实验室朱琳AFM:双网络弹性体的最新研究进展,中国橡胶网,zimite.com
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国科大温研院陈强/川大崔为/瓯江实验室朱琳AFM:双网络弹性体的最新研究进展
2022年02月08日    阅读量:     新闻来源:中国橡胶网 zimite.com  |  投稿

导读:如何增韧弹性体是一个永恒的话题,因为机械性能决定着弹性体的可靠性和使用寿命。软材料增韧的主要方式是在弹性网络中构筑耗散体系。双网络(DN)增韧法是其中最具开创性和代表性的实践,已成功应用于众多水凝胶体系中国橡胶网zimite.com。但关于DN弹性体的重要综述却很缺乏。本文从制备方法到不同长度尺度的增韧机制、功能和应用,充分展示了如何才能得到坚韧DN弹性体。


如今,弹性体被制造成具有高度多样性的产品,几乎可以在任何地方使用。每年,与弹性体产品相关的总产值达数千亿美元。现有的弹性体应用于许多领域,包括轮胎、纺织品、涂料、驱动器、可穿戴电子设备等。根据具体用途,弹性体可以设计成具有特定性能,如粘附性、自愈合能力、绝缘性能、离子导电性等。除了赋予弹性体新的功能外,弹性体增韧是一个永恒的话题,因为优异的机械性能,尤其是强度和韧性,总是决定着相关应用的可靠性。

在增强和增韧弹性体方面,人们付出了巨大的努力,包括引入纳米复合材料、多重交联、相分离、离子配位、超分子相互作用、双网络(DN)结构等。这些策略通常是基于相同的概念:牺牲键效应,即在拉伸网络中构筑耗散体系。理论上软材料的断裂韧性表示为Г = Г0 + ГD,其中Г0为本征断裂韧性,ГD为体能量耗散的贡献。Г0通常是单层聚合物链断裂所需的能量 (1-100 J m-2)。因此,通过引入牺牲键效应使ГD(可以达到1000 J m-2)最大化成为提高软材料断裂韧性的关键。

利用牺牲键来增韧软材料的最早例子是由Gong等人在2003年提出的,当时他们创造了一种极其坚韧的水凝胶,它由紧密交联的刚性第一网络和松散交联的柔性第二网络组成。该材料命名为双网络(DN)水凝胶。加载时,第一个脆性网络发生断裂,耗散大量能量,而第二个网络则维持变形,避免应力集中。这种双网络策略很快被发现适用于各种软材料,从水凝胶到弹性体Creton等人2014年使用类似的方法开发了基于丙烯酸酯单体的强韧DN和三网络(TN)弹性体。从那时起,DN策略被广泛接受为一种不仅能增韧水凝胶也能增韧弹性体的有效方法。

关于DN水凝胶的综述已经被很好的记录下来,并为下一代水凝胶的发展提供了广泛的指导。然而,关于DN弹性体的重要综述仍然缺乏。虽然DN材料的概念大体相同,但水凝胶和无水弹性体在制备方法、网络结构、力学行为和增韧机制等方面仍存在差异,需要进一步研究。因此,我们写了这篇综述,总结了具有DN结构的高强度和韧性弹性体。在第2节中,我们描述了双网络概念的起源、DN水凝胶的分类、相关的网络结构以及断裂力学。在第3节中,我们概述了不同类型的DN弹性体。在第4节中,我们展示了将分子尺度DN策略扩展到宏观尺度DN软复合材料的例子。在第5节中,简要地解释了上述DN弹性体在不同长度尺度下的牺牲键增韧机理。在第6节中,演示了DN弹性体的一些实际应用。最后,对DN弹性体进行了总结和展望(第7节)。

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不同长度尺度下具有牺牲网络的DN弹性体的能量耗散机制不同。

尽管在开发具有优异韧性的DN弹性体方面付出了巨大的努力,但仍然面临的一些关键挑战和潜在的解决方案,如新颖的合成策略、断裂增韧机理、耐疲劳DN弹性体、粘附性DN弹性体、自愈DN弹性体和功能性DN弹性体,双网络是一种有效的策略,极大地扩展了传统弹性体的机械窗口,极大地提高了其机械可靠性。希望这篇综述能给现有DN系统提供一些新的见解,并启发其他杰出的弹性体系统增韧策略。


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