Mechanical and Viscoelastic Properties of Cellulose Nanocrystals Reinforced Poly(ethylene glycol) Nanocomposite Hydrogels

材料科学 自愈水凝胶 纳米复合材料 乙二醇 PEG比率 复合材料 化学工程 粘弹性 动态力学分析 聚合物 高分子化学 财务 工程类 经济
作者
Jun Yang,Chunrui Han,Jiufang Duan,Feng Xu,Run‐Cang Sun
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:5 (8): 3199-3207 被引量:249
标识
DOI:10.1021/am4001997
摘要

The preparation and mechanical properties of elastomeric nanocomposite hydrogels consisting of cellulose nanocrystals (CNCs) and poly(ethylene glycol) (PEG) are reported. The aqueous nanocomposite CNC/PEG precursor solutions covalently cross-linked through a one-stage photocross-linking process. The mechanical properties of nanocomposite hydrogels, including Young's modulus (E), fracture stress (σ), and fracture strain (ε), were measured as a function of CNC volume fraction (ϕCNC, 0.2–1.8%, v/v) within polymeric matrix. It was found that the homogeneously dispersed nanocomposite hydrogels can be prepared with ϕCNC being less than 1.5%, whereas the heterogeneous nanocomposite hydrogels were obtained with ϕCNC being higher than 1.5%. The nanocomposite hydrogels exhibited higher strengths and flexibilities when compared with neat PEG hydrogels, where the modulus, fracture stress, and fracture strain enhanced by a factor of 3.48, 5, and 3.28, respectively, over the matrix material alone at 1.2% v/v CNC loading. Oscillatory shear data indicated the CNC–PEG nanocomposite hydrogels were more viscous than the neat PEG hydrogels and were efficient at energy dissipation due to the reversible interactions between CNC and PEG polymer chains. It was proposed that the strong gel viscoelastic behavior and the mechanical reinforcement were related to "filler network", where the temporary interactions between CNC and PEG interfered with the covalent cross-links of PEG.
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