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納米纖維可以顯著提高材料的力學性能，被認為是制備混合水凝膠的理想剛性增強材料。但不透明納米纖維在水凝膠基體中的層狀沉積或不均勻分布會導致混合水凝膠的機械性能變低，透明度變差。在不影響透明性的前提下，制備一種堅韌、可拉伸、均勻的納米纖維增強離子導電水凝膠仍然是一項巨大的挑戰(zhàn)。

東華大學紡織學院丁彬、張世超團隊在《Advanced functional materials》上以“In Situ Synthesis of Mechanically Robust, Transparent Nanofiber-Reinforced Hydrogels for Highly Sensitive Multiple Sensing”為題，報道了一種具有機械和電子穩(wěn)定性的透明納米纖維增強的SFRHs水凝膠。

研究團隊將二氧化硅納米纖維、乙烯基硅烷巧妙地整合入海藻酸鈉(SA)/聚丙烯酰胺（PAM）水凝膠中，制備了一種透明納米纖維增強的SFRHs水凝膠，其中PAM鏈通過硅烷共價連接到二氧化硅納米纖維上，形成堅固的界面化學鍵。此外，二氧化硅納米纖維和PAM鏈之間的界面提供了非共價的相互作用(例如氫鍵)，在拉伸過程中可能會斷裂和重組，耗散能量并使水凝膠網(wǎng)絡均勻化。

SFRHs的制備

二氧化硅納米纖維的高長徑比和納米纖維與水凝膠網(wǎng)絡之間穩(wěn)定的界面結合，都有助于SFRHs具有優(yōu)異的力學性能。研究團隊首先制備了不含硅烷的硅納米纖維增強水凝膠，界面上只存在物理鍵合，將此水凝膠記為p-SFRHs。當硅納米纖維的長徑比從50增加到400時，其力學強度有較大提高(從0.11 MPa增加到0.24 MPa)，這可能與界面強度的提高有關。

為了提高界面負載傳遞效率，在納米纖維和水凝膠基體之間引入TMSPMA，將此水凝膠記為c-SFRHs。c-SFRHs的力學強度為0.3 MPa，應變?yōu)?400%, 楊氏模量為0.11 MPa，其高模量是遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的具有相似的高含水量的可拉伸堅韌水凝膠。

為了深入了解納米纖維的增強機制，采用全原子分子動力學(MD)模擬方法，量化了L/d比和共價鍵對sfrh界面性能的影響。兩種具有不同L/d比的硅納米纖維p-SFRH5、p-SFRH10，以及額外引入TMSPMA的c-SFRH10被作為三種模型。結果發(fā)現(xiàn)隨著L/d比的增加，相互作用能從1135增加到2241 kJ·mol-1，表明物理相互作用增強，如范德華力、庫侖力，以及硅納米纖維和水凝膠基質(zhì)之間的氫鍵。引入穩(wěn)定的共價鍵后，復合水凝膠的界面能顯著提高到4000 kJ·mol-1。此外，對三種模型的界面摩擦進行了拉拔模擬，以動能損失為基礎，計算了三種模型的界面摩擦力。c-SFRH10的最大摩擦力為3.34 nN (p-SFRH5和p-SFRH10分別為1.06和1.87 nN)。這種巨大的摩擦力使得硅納米纖維和水凝膠基體之間很難發(fā)生滑動，這與觀察到的c-SFRHs表現(xiàn)出最高的模量和強度是一致的。

SFRHs力學特性和強化機制

與p-SFRHs的小滯后相比，c-SFRHs在加卸載循環(huán)實驗中表現(xiàn)出更大的滯后，而卸載后的永久變形幾乎可以忽略不計，突出了其韌性和超彈性。經(jīng)過1000次循環(huán)拉伸試驗后，c-SFRHs的楊氏模量、最大應力和能量損失系數(shù)均沒有顯著下降。與脆性的傳統(tǒng)水凝膠相比，SFRHs顯示出強大的壓縮回彈性和高壓縮應力(90%應變時為2.6 MPa)。此外，它們可以在如此大的應變下被反復壓縮而不會發(fā)生結構坍塌。另外，實驗發(fā)現(xiàn)隨著二氧化硅納米纖維含量的增加，阻抗逐漸降低，表明SFRHs的離子電導率呈不斷增加的趨勢。離子電導率的提高歸因于兩個效應：首先，非導電性二氧化硅納米纖維在復合水凝膠中占有較小的體積，確保了離子在水中的高遷移率。其次，具有高長徑比和酸性表面(-OH基)的二氧化硅納米纖維吸引反離子，在整個水凝膠中形成一個連續(xù)的高導電通道。

SFRHs的超彈性和離子電導率

SFRHs在較寬的傳感范圍內(nèi)具有較高的靈敏度和循環(huán)穩(wěn)定性，可用于監(jiān)測人體運動和脈搏跳動。SFRHs能夠有效監(jiān)測復雜而微小的外界刺激，比如書寫字跡等等，這在字跡防偽等領域有重要的潛在應用價值。

SFRHs的傳感性能

論文題目：In Situ Synthesis of Mechanically Robust, Transparent Nanofiber-Reinforced Hydrogels for Highly Sensitive Multiple Sensing

DOI: 10.1002/adfm.202103117

（來源：高分子科學前沿）