Improving the Strength of Ultrastiff Organic–Inorganic Double-Network Hydrogels

极限抗拉强度 自愈水凝胶 韧性 材料科学 丙烯酸酯 共聚物 丙烯酸 复合材料 丙烯酰胺 化学工程 聚合物 高分子化学 工程类
作者
Marko Milovanovic,Nicola Isselbaecher,Volker Brandt,Joerg C. Tiller
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:33 (21): 8312-8322 被引量:22
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.1c02525
摘要

Swollen double networks (DNs) are hydrogels with greatly improved stiffness, toughness, and strength compared to classical hydrogels. The highest stiffness is achieved for organic–inorganic DN hydrogels, which show a rather low tensile strength of about 1 MPa so far. It was presumed that this is due to an insufficient reversible bond formation between inorganic and organic phases. Therefore, the influence of the functional groups that form reversible bonds between these two phases was investigated on the example of calcium phosphate-based DN hydrogels. The functional groups were introduced by copolymerization of acrylate-based monomers with acrylamide and N,N- dimethylacrylamide, respectively, to form a hydrogel-containing alkaline phosphatase. After enzyme-induced mineralization, it was found that only acrylic acid (AA) results in improved strength of the formed ultrastiff DN hydrogels. Stress–strain curves with different strain rates revealed that Young's modulus of ∼300 MPa is constant in all cases, while the tensile strength increases from 7 MPa at 5% min–1 to 17 MPa at 750% min–1. The fracture toughness of these optically transparent DN hydrogels, which are among the stiffest and strongest existing hydrogels, is up to 2000 J m–2 which is also improved by the introduction of AA into the hydrogel.
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