Metal-Coordination Complexes Mediated Physical Hydrogels with High Toughness, Stick–Slip Tearing Behavior, and Good Processability

韧性 撕裂 自愈水凝胶 材料科学 极限抗拉强度 复合材料 共聚物 金属 形状记忆合金 高分子化学 聚合物 冶金
作者
Si Yu Zheng,Hongyao Ding,Jin Qian,Jun Yin,Zi Liang Wu,Yihu Song,Qiang Zheng
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:49 (24): 9637-9646 被引量:388
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.6b02150
摘要

It is challenging to develop hydrogels with a combination of excellent mechanical properties, versatile functions, and good processability. Here we report a physical hydrogel of poly(acrylamide-co-acrylic acid) (P(AAm-co-AAc)) cross-linked by carboxyl–Fe3+ coordination complexes that possesses high stiffness and toughness, fatigue resistance, and stimulation-triggered healing along with shape memory and processing abilities. The copolymers have randomly dispersed AAm and AAc repeat units, making the physical cross-links with different strength. The strong coordination bonds and their associations serve as permanent cross-links, imparting the elasticity, whereas the weak ones reversibly rupture and re-form, dissipating the energy. Furthermore, a stick–slip instability is observed during the tearing test, which should be associated with the specific nature of metal-coordination bonds that are strong yet fragile. Because of the dynamic nature of coordination bonds, both tensile and tearing mechanical properties are rate dependent. By tuning the bond strength via pH, the gels show distinct mechanical properties, shape memory ability, and even reversible sol–gel transition. The system also shows good processability; the copolymer solutions can be processed into tough gels with different structures by three-dimensional printing technology. These versatile, tough, yet processable hydrogels should be a promising material as structural elements in various applications.
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