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Impact‐Resistant Hydrogels Via Quaternary Ammonium‐Regulated Networks

自愈水凝胶 材料科学 韧性 脆性 聚合物 纳米技术 仿生学 软质材料 超分子化学 复合材料 消散 设计要素和原则 材料设计 压力(语言学) 结构完整性 结构材料 单体 机械强度 高能 合理设计 聚合物网络
作者
Xingkui Guo,Binxin Dong,Shuangshuang Miao,Chuyang Chen,Lingyi Hong,Wei Zhai
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (44): e73787-e73787
标识
DOI:10.1002/adma.73787
摘要

ABSTRACT Hydrogels are increasingly explored as structural candidates for impact‐mitigation and protection systems because of their biocompatibility, softness, and design versatility. However, conventional hydrogels typically suffer from inadequate mechanical properties and environmental instability, which severely hamper their practical applications. Here we report the use of quaternary ammonium‐regulated networks to overcome these limitations, without the need for cumbersome postprocessing or high energy consumption. The approach enables controlled structural organization in polymers containing regularly spaced polar groups (e.g., polyvinyl alcohol, poly(acrylic acid), and polyacrylamide), transforming large, densely packed rigid domains into dynamic, adaptable supramolecular architectures. This arises from strong quaternary‐ammonium–polymer associations that restrict local chain mobility and promote ordered segmental packing. Consequently, by tuning polymer composition, the hydrogels have widely tunable mechanics from brittle to ductile behavior, with ultimate stresses of 32.9–101.9 MPa, strains of 29%–1670%, and toughness values of 22.7–434.1 MJ m − 3 . They also show exceptional impact‐resistant performance (426.7 MPa), combined with high energy dissipation (96.02%) and puncture resistance (1.3 J), which compares favorably to those of other tough hydrogels and even natural materials. The presented strategy is generalizable to other polymers, and could expand the applicability of structural hydrogels to more mechanically demanding conditions.
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