快速pH響應性水凝膠在驅(qū)動、傳感和分離等多領(lǐng)域中具有很高的實用價值。傳統(tǒng)pH響應性水凝膠通常是具有較差的物理強度和韌性,而通過化學交聯(lián)法制備的水凝膠在pH響應速率和可逆性方面表現(xiàn)不佳。近年來,研究人員將互穿網(wǎng)絡(luò)、拓撲結(jié)構(gòu)或多功能納米材料等引入pH水凝膠結(jié)構(gòu),制備了多種具有良好pH響應性及力學性能的水凝膠。但大多需要昂貴的原料或繁瑣的制備過程。至今,制備低成本、高性能的pH響應性水凝膠仍是一大挑戰(zhàn)。實際上,木質(zhì)素作為自然界中最豐富的可再生芳香聚合物,不僅成本低廉而且在酸堿環(huán)境中會發(fā)生質(zhì)子化和離子化作用。長久以來,制漿造紙工業(yè)正是利用這一獨特的pH響應性實現(xiàn)了木質(zhì)素的脫除和纖維素的提取。

木質(zhì)素水凝膠驅(qū)動器,可快速pH響應

基于此,天津科技大學戴林副教授等人在《Chemistry of Materials》上發(fā)表了題為“All-lignin-based hydrogel with fast pH-stimuli-responsiveness formechanical switching and actuation”的研究論文,報道了一種新型、快速pH響應性木質(zhì)素水凝膠。該木質(zhì)素水凝膠在酸/堿溶液中表現(xiàn)出快速、多次、可逆的硬/軟、彎曲/恢復行為變化,其彎曲/恢復速率分別高達8.0°/s和6.5°/s。其斷裂應力/應變可由18.0kPa/17.4%(pH 14.0)提升至36.0 kPa/29.4%(pH 1.0)。利用這些特性,研究成功設(shè)計制備了pH響應鉤取裝置和流體開關(guān)裝置。這種低成本、快速pH響應性木質(zhì)素水凝膠不僅為智能材料的開發(fā)提供了一個獨特的材料平臺,也為木質(zhì)素基材料開辟了新的應用領(lǐng)域。

【圖文導讀】

1. 木質(zhì)素水凝膠的制備

研究采用的是十分簡單、可控的堿性開環(huán)合成工藝,以最常見的工業(yè)硫酸鹽木質(zhì)素為原料、低分子量聚乙二醇二縮水甘油醚作為交聯(lián)劑制得木質(zhì)素水凝膠。反應所用的氫氧化鉀堿性反應體系起到溶解木質(zhì)素和促進開環(huán)反應的雙重作用。

木質(zhì)素水凝膠驅(qū)動器,可快速pH響應
圖1. 木質(zhì)素水凝膠的合成、結(jié)構(gòu)及組分表征

2. 木質(zhì)素水凝膠pH響應性能

圖2顯示了該木質(zhì)素水凝膠在酸/堿溶液中彎曲/恢復行為。制備成條形片狀的木質(zhì)素水凝膠在0.1 M HCl溶液中僅需27s即可彎至216°,隨后浸泡至0.1 MKOH溶液中30s后可恢復形變(<20°)。該過程可重復多次(>10次)。與其他相關(guān)研究相比,該木質(zhì)素水凝膠具有出色的pH響應彎曲速率(8.0°/s)及形變恢復速率(6.5°/s)。

木質(zhì)素水凝膠驅(qū)動器,可快速pH響應
圖2.木質(zhì)素水凝膠在酸/堿溶液中的彎曲/恢復表征

3. 木質(zhì)素水凝膠pH驅(qū)動裝置

圖3顯示了該木質(zhì)素水凝膠的驅(qū)動性能。木質(zhì)素水凝膠首先被制成條形片狀用于pH響應鉤取裝置。條形木質(zhì)素水凝膠在0.1 M HCl溶液中可以自發(fā)彎曲并鉤取相當于自重6倍的重物。隨后,木質(zhì)素水凝膠被制成方形片狀并粘附于Parafilm??M圓形膜上,與過濾器組裝成流體閥門裝置,顯示出良好的pH響應開關(guān)功能。

木質(zhì)素水凝膠驅(qū)動器,可快速pH響應
圖3.木質(zhì)素水凝膠制成的pH響應鉤取裝置和流體開關(guān)裝置

4. 木質(zhì)素水凝膠pH響應機理

圖4顯示了該木質(zhì)素水凝膠在酸堿環(huán)境下的含水量、微觀形貌及力學性質(zhì)。隨環(huán)境pH值降低(14.0至1.0),該木質(zhì)素凝膠含水量由92%降至49%,斷裂應力由18.0 kPa增至36.0 kPa,斷裂應變由17.4%增至29.4%。材料截面微觀結(jié)構(gòu)顯示,堿性環(huán)境下木質(zhì)素水凝膠具有疏松的大孔結(jié)構(gòu),而在酸性環(huán)境下水凝膠收縮明顯,表現(xiàn)出致密的網(wǎng)絡(luò)及較小的孔隙結(jié)構(gòu)。這是由于酸性環(huán)境使木質(zhì)素分子上羧基發(fā)生質(zhì)子化作用,促進了木質(zhì)素分子間的疏水相互作用,從而形成物理交聯(lián)。水凝膠再次進入堿性環(huán)境中后,羧基會再次發(fā)生離子化作用,恢復柔軟的木質(zhì)素網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

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圖4.木質(zhì)素水凝膠在不同pH環(huán)境下的含水量、微觀形貌及力學性質(zhì)

研究發(fā)現(xiàn),該木質(zhì)素水凝膠僅發(fā)生單側(cè)彎曲,此現(xiàn)象可能是由水凝膠內(nèi)部徑向應力所致。為了驗證這一想法,研究將木質(zhì)素/聚乙二醇二縮水甘油醚懸浮液倒入Parafilm?M膜上進行成型,通過檢測Parafilm? M膜間接表征該木質(zhì)素水凝膠各處的彈性勢能。直觀顯示的水凝膠彈性勢能變化趨勢與實際形變基本相符。這表明,通過合理的設(shè)計及成形方法,這種廉價、綠色的木質(zhì)素水凝膠有望實現(xiàn)更多的智能應用。

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圖5.木質(zhì)素水凝膠內(nèi)部應力表征

 

【亮點小結(jié)】

綜上所述,作者報道了一種低成本、制備工藝簡單且具有快速pH響應性的木質(zhì)素水凝膠材料。通過簡單的酸堿溶液交替浸泡,該木質(zhì)素水凝膠可以表現(xiàn)出快速、多次、可逆的硬/軟、彎曲/恢復行為變化。利用這些特性,研究實現(xiàn)了pH響應鉤取行為及流量控制。這種低成本、快速pH響應性木質(zhì)素水凝膠不僅為智能材料的開發(fā)提供了一個獨特的材料平臺,也為木質(zhì)素基材料開辟了新的應用領(lǐng)域。

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c01198

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