Simultaneous Enhancement of Stiffness and Toughness in Hybrid Double-Network Hydrogels via the First, Physically Linked Network

自愈水凝胶 琼脂 聚丙烯酰胺 韧性 材料科学 刚度 模数 聚合物 化学工程 弹性模量 复合材料 高分子化学 细菌 遗传学 生物 工程类
作者
Qiang Chen,Dandan Wei,Hong Chen,Lin Zhu,Caicai Jiao,Ge Liu,Lina Huang,Jia Yang,Libo Wang,Jie Zheng
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:48 (21): 8003-8010 被引量:128
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.5b01938
摘要

Combining both chemical and physical cross-links in a double-network hydrogel (DN gel) has emerged as a promising design strategy to obtain highly mechanically strong hydrogels. Unlike chemically cross-linked DN gels, little is known about the fracture process and toughening mechanisms of hybrid chemically physically linked DN gels. In this work, we engineered tough hybrid DN gels of agar/polyacrylamide (Agar/PAAm) by combining two types of cross-linked polymer networks: a physically linked, first agar network and a chemical-linked, second PAAm network. The resulting Agar/PAAm exhibited high stiffness of 313 kPa and high toughness of 1089 J/m2. We then specifically examined the effect of the first agar network on the mechanical properties of hybrid Agar/PAAm gels. We found that by controlling agar concentrations above a critical value, the physically linked agar network can simultaneously enhance both stiffness and toughness of Agar/PAAm DN gels, as evidenced by a linear relationship of elastic modulus and tearing energies of the gels as the increase of agar concentration. This toughening behavior is different from that of chemically linked DN gels. Complement to chemically linked DN gels, this work provides a different view for the design of new stiff and tough hydrogels using hybrid physical and chemical networks.
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