《AM》四川大學冉蓉/崔為團隊：本體共聚無溶劑制備高韌/抗溶脹/寬頻黏彈物理水凝膠！

水凝膠因其柔軟且富水的特性，被廣泛應用于水環境中的前沿技術領域，例如水下柔性機器人、粘附材料、以及可穿戴設備等。為了確保這些應用的可靠性、耐久性和功能性，水凝膠需要同時具備優異的力學性能（強度、韌性、抗疲勞性等）以及良好的抗溶脹能力。然而，傳統水凝膠一般由松散交聯的親水網絡構成，存在溶脹比過高和力學性能不足的問題，使其在復雜水下環境中的應用嚴重受限。造成這一問題的核心原因之一在于傳統水凝膠的溶劑介導制備過程。無論是單體的原位聚合，還是親水高聚物的加熱溶解再降溫交聯，傳統水凝膠的制備通常都在溶劑（大多數時候是水）的存在下進行。這不僅會導致網絡內部分子鏈纏結程度低，而且抗溶脹性能也較差，從而使其極限工程應力（正比于單體濃度）和斷裂韌性（反比于溶脹比）都大幅下降。

為解決這一問題，四川大學冉蓉/崔為以疏水締合水凝膠為模型體系，提出了基于本體共聚的無溶劑制備策略，可構建兼具高韌性、抗溶脹和寬頻黏彈性的純物理交聯水凝膠。與傳統的溶液共聚和膠束共聚相比，本體共聚制備水凝膠不僅體系簡單、合成方便，且凝膠綜合性能可大幅度提升，拓寬了強韌物理水凝膠的制備思路。

2025年6月20日，相關工作以“Solvent-Free Fabrication of Robust Physical Hydrogels via Bulk Copolymerization for Underwater Acoustics”發表在Advanced Materials。

【本體共聚vs傳統膠束共聚】

疏水締合水凝膠往往用膠束共聚制得，其預聚液體系比較復雜，除親疏水單體及引發劑外，還需加入較多溶劑及表面活性劑，部分情況還需加入鹽進行增溶，制得的凝膠在水中溶脹程度高且力學性能普遍較弱。而本體共聚只需將高度相容的極性（如丙烯酸）與非極性單體（如甲基丙烯酸十二烷基酯）均勻混合，加入少量引發劑，即可先制得無水共聚物。再在水中平衡溶脹時由于兩種聚合物對水分子的親和力差異會發生網絡重構，自發形成高度纏結及相分離的強韌水凝膠（圖1）。

圖1. 本體共聚及傳統膠束共聚制備疏水締合水凝膠的方法對比

【力學增強及機制分析】

相比于傳統的膠束共聚法所制得的水凝膠，本體共聚制得的水凝膠在剛度、強度和斷裂韌性方面分別大幅度提升了81、46和41倍，顯示出顯著的力學增強效果（圖2）。進一步通過控制相同含水量對比本體共聚、溶液共聚及膠束共聚三種聚合方法對水凝膠力學性能的影響，作者發現本體共聚一方面允許凝膠內部存在大量鏈纏結，優化了能量耗散密度，另一方面原位形成的軟硬相分離結構有助于應力分散，優化了能量耗散區尺寸（圖3），最終賦予凝膠優異的綜合力學性能。

圖2. 本體共聚制備得到的疏水締合水凝膠具有優異力學性能

圖3. 力學增強機理分析

【潛在水下應用】

膠束共聚制備的疏水締合水凝膠一般表現為純彈性，耗散能力弱。而本體共聚制得的凝膠除具備高力學性能及抗溶脹能力外，還表現出寬頻粘彈性（視頻1），且聲阻抗與水接近，允許聲波進入凝膠網絡并被耗散，因此作者探索了其在水下吸聲方面的潛在應用。由于預聚液體系十分簡單，可通過表面引發法直接在水下小型載具表面聚合形成凝膠吸聲涂層。聲學結果表明，有凝膠涂層的載具可在水下吸收聲波，規避聲納搜索（圖4）。

視頻1. 膠束共聚（左）及本體共聚（右）疏水締合水凝膠粘彈性差異

圖4. 潛在水下聲學應用

【總結】

盡管本體共聚已被廣泛用于塑料及彈性體的制備，其在水凝膠體系中由于單體的諸多限制卻鮮被應用。作者通過合理的極性和非極性單體組合，實現了具備多種優異性能水凝膠的無溶劑制備，無需使用表面活性劑、化學交聯劑或納米填料。這一工作為開發適用于嚴苛水下環境的簡單水凝膠體系提供了思路。

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202508162

來源：高分子科技