Synergistic Strengthening and Toughening of Hydrogels: Ultralow Loading Nanosilica Coupled with Annealing to Modulate Heterogeneous Nucleation

成核 材料科学 自愈水凝胶 结晶度 结晶 复合材料 极限抗拉强度 退火(玻璃) 复合数 微尺度化学 化学工程 聚合物 增韧 纳米复合材料 各向同性 纳米颗粒 热的 共聚物 聚合物结晶 聚合 热处理 收缩率 相间 流变学
作者
Pu Liu,Hao Liu,Boyuan Miao,Lei Zuo,Kai Zhang
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.6c02057
摘要

Abstract While nanofillers are widely employed to reinforce hydrogels through heterogeneous nucleation, polymer crystallization theoretically requires only trace amounts of nucleating agents, whereas excessive nanofiller loading may disrupt polymer-chain ordering and compromise mechanical performance. However, at conventional high loadings (1–15 wt %), these adverse effects can be masked by the dominant contribution of volume-filling reinforcement. Thus, this study explores ultralow loadings (0–0.2 wt %) of nanosilica to minimize conventional composite effects and elucidate the role of nanoparticle-mediated heterogeneous nucleation in annealing-driven crystallization. Nanosilica particles act as heterogeneous nucleation sites, facilitating the formation of numerous fine and relatively uniformly distributed crystalline domains during the gelation of poly(vinyl alcohol) (PVA) hydrogels. Upon subsequent annealing, these crystalline domains undergo further growth and spatial reorganization, accompanied by an increase in overall crystallinity. Crucially, excessive nanosilica loadings may hinder polymer-chain ordering and compromise crystallinity under both freeze–thaw and annealing conditions. With a mere 0.05 wt % nanosilica, the fracture energy of the hydrogel annealed for 30 min exceeds twice that of the pristine hydrogel subjected to the same thermal treatment. Across the ultralow-loading regime (0–0.2 wt %), the annealed hydrogels achieve tensile strengths of 1.41–7.67 MPa and fracture energies of 1.08–6.32 kJ m–2, collectively outperforming previously reported isotropic PVA hydrogels reinforced through crystalline architecture manipulation. This study provides fundamental insights into nanofiller-mediated crystallization in hydrogels and establishes a nucleation-annealing pathway for precise regulation of crystalline-domain architecture and mechanical properties at ultralow nanofiller loadings.

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