PVA超韧水凝胶与PVA-β-甘油磷酸钠-硫酸钠超韧水凝胶在制备原理、力学性能、功能特性及应用场景上存在差异,后者通过盐析-冻融协同作用实现更良好的机械性能与多功能性。以下为具体对比分析:
一、制备原理
PVA超韧水凝胶:常见的制备方法包括物理交联、溶剂置换等。例如,通过溶剂置换策略构建超强、超韧的低共熔凝胶,先将PVA溶解在水中形成水合网络,再用深度共晶溶剂(DESs)取代水重建稳健网络。
PVA-β-甘油磷酸钠-硫酸钠超韧水凝胶:采用物理交联盐析-冻融法,利用β-甘油磷酸钠诱导PVA分子链聚集和缠结,再通过盐析和冻融过程进一步增强其机械性能。
二、力学性能
PVA超韧水凝胶:
优点:通过优化冷冻-解冻次数或化学交联密度,可获得较高拉伸强度和韧性。例如,经多次冻融循环的PVA水凝胶断裂伸长率可达200%-300%,韧性约1-5 MJ/m³。
局限性:单纯物理交联的水凝胶力学性能受限于PVA分子链的缠结程度,难以实现高强度与高韧性的平衡。
PVA-β-甘油磷酸钠-硫酸钠超韧水凝胶:
优势:盐析作用增强PVA分子链的聚集,结合冻融诱导的结晶交联,形成双网络结构,大幅提升力学性能。例如,其拉伸强度可达5.79 MPa,韧性高达13.96 MJ/m³,远超普通PVA水凝胶。
机制:β-GP和硫酸钠通过离子特异性效应(霍夫迈斯特效应)促进PVA链聚集,硫酸钠的强盐析作用进一步降低PVA溶解度,形成更密集的物理缠结点。
三、微观结构
PVA超韧水凝胶:通过结晶域工程或溶剂置换策略,形成致密且均匀的聚合物网络结构,结晶域起到能量耗散的作用。
PVA-β-甘油磷酸钠-硫酸钠超韧水凝胶:硫酸钠和β-甘油磷酸钠促进PVA分子链结晶,形成大量纳米晶域,这些纳米晶域作为主要的交联点,在受力过程中既抵抗形变又耗散能量。
四、功能特性
PVA超韧水凝胶:
基础性能:具有良好的生物相容性、保水性和柔韧性,适用于组织工程、药物缓释等基础应用。
局限性:功能单一,难以满足复杂应用场景(如高强度传感、智能响应)的需求。
PVA-β-甘油磷酸钠-硫酸钠超韧水凝胶:
多功能性:
高导电性:通过引入导电填料(如碳纳米管、离子液体)可制备导电水凝胶,用于柔性传感器。
刺激响应性:β-GP的加入使水凝胶具有pH或温度响应性,适用于药物控释或智能驱动器。
环境适应性:在液体环境中力学性能稳定,适用于潮湿或水下场景。