Tough Hydrogels with Isotropic and Unprecedented Crack Propagation Resistance

材料科学 自愈水凝胶 各向异性 韧性 各向同性 聚合物 复合材料 微观结构 聚丙烯酰胺 断裂力学 断裂韧性 光学 高分子化学 物理
作者
Weizheng Li,Sijie Zheng,Xiuyang Zou,Yongyuan Ren,Ziyang Liu,Wansu Peng,Xiaoliang Wang,Dong Liu,Zhihao Shen,Yin Hu,Jiangna Guo,Zhe Sun,Feng Yan
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (43) 被引量:117
标识
DOI:10.1002/adfm.202207348
摘要

Abstract Muscles and some tough hydrogels can maintain perfect mechanical properties after millions of loading cycles owing to the anisotropic microstructures inside them. However, applications of intrinsic anisotropic microstructures in biological tissues and tough hydrogels are limited by the poor mechanical performance in the perpendicular direction relative to the alignment direction. Here, a universal strategy is proposed for developing hydrogels with unprecedented isotropic crack propagation resistance only depending on the interpenetrating entanglements of polymer chains (polyacrylamide (PAAM) or poly‐(1‐acrylanmido‐2‐methylpropanesulfonic acid) (PAMPS)) in deformable polymeric microspheres (PAMPS or PAAM). The deformable interpenetrating network in microspheres can transform the hydrogel from isotropic to anisotropic instantaneously in any load direction, and effectively alleviate the stress concentration at the crack tip, dissipate energy, and eliminate notch sensitivity. The best isotropic hydrogel displays an ultimate strain of 5300%, toughness of 18.9 MJ m –3 , fracture energy of 157 kJ m –2 , and fatigue threshold of 4.2 kJ m –2 . Furthermore, the mechanical strength of hydrogels can be simply tuned by solvent replacement. The strategy presented here can be expanded to prepare other isotropic hydrogels with super tear‐resistant and anti‐fatigue properties, based on a wide variety of deformable microspheres and matrix polymers.
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