北京林业大学郝翔/彭锋：超快制备有机水凝胶：具有紫外线阻断、抗冻、抗干燥和皮肤表皮传感特性

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关注 2021年6月21日 11:34

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摘要

在没有外部刺激的情况下在室温下快速制备有机水凝胶是一项挑战。受植物儿茶酚化学的启发， 北京林业大学 郝翔博士 / 彭锋教授 团队 使用木质素磺酸钠和铜（ II）离子（Ls-Cu ²⁺ ）建立的自催化系统已被开发并应用于快速制造具有迷人多功能特性的有机水凝胶。

Ls-Cu ²⁺ 对可以在室温下诱导过硫酸铵 (APS) 产生自由基，随后在不到 30 秒的时间内引发羟乙基丙烯酰胺 (HEAA) 在水-甘油二元相中的自 由基聚合反应. Ls-Cu ²⁺ 对的存在还赋予有机水凝胶材料迷人的紫外线阻挡（~100%）和导电特性，因此它们可以用作表皮传感器。 由于甘油的存在，所 制备的有机水凝胶表现出耐人寻味的抗冻（ ~-50°C）和抗干燥能力（22-60°C）。 这项工作挖掘了动态植物儿茶酚化学在有机水凝胶材料领域的潜力。 相关论文以题为 Ultrafast fabrication of organohydrogels with UV-blocking, anti-freezing, anti-drying, and skin epidermal sensing properties using lignin–Cu2+ plant catechol chemistry 发表在《 Journal of Materials Chemistry A 》上。

图解

Ls-Cu ²⁺ 氧化还原对诱导Ls-Cu@WG-PHEAA有机水凝胶的设计机制

图 1 (a) 有机水凝胶前体在无/有 Ls-Cu ²⁺ 催化剂的情况下在水-甘油共溶剂中的聚合。(b) 不同的 Cu ²⁺ 浓度和 (c) 不同的水与甘油比例对凝胶化速率的影响。Ls-Cu ²⁺ 对的（d）C 1s 和（e）Cu 2p 区域的 XPS 信号。(f) Ls 电极在 Cu(NO ₃ ) ₂ ·6H ₂ O、甘油、HEAA 和 APS 的混合溶液中的 CV 曲线。

机械性能和防冻 /干燥性能

图 2 Lsx% 和 WxGy 凝胶的机械性能。

紫外线屏蔽和粘合性能。

图3 紫外线屏蔽和粘合性能。

图 3 (a) 覆盖“BJFU”标志的 2 mm 厚 Ls _x% 凝胶的照片。(b) Lsx% 凝胶在 200 到 800 nm 波长范围内的透射率。(c) 典型可见光 (550 nm) 和紫外 (365 nm) 光通过 Ls _x% 凝胶的透射率。(d) 证明 Ls0.75% 凝胶具有出色的紫外线阻挡能力。(e) 在凝胶厚度和紫外线屏蔽能力方面比较我们的工作和参考结果的图表。凝胶粘附在各种基材表面的照片，包括 (f) 纸、玻璃、树叶、花瓣、木材、橡胶、磁铁、葡萄、铝、石头、聚四氟乙烯 (PTFE)、银 和钛箔和 (g) 人类手臂的表皮。(h) 通过搭接剪切强度测试对凝胶的粘附定量的示意图。(i) W ₁ G ₂ 凝胶在五种典型基材上的粘附强度。(j) W _x G _y 凝胶在单一木材基材上的粘附强度。

表皮感觉研究

图 4 (a) W _x G _y 凝胶的电导率。(b) 不含和含甘油的凝胶（W ₁ G ₀ 和W ₂ G ₁ ）在 -20 °C 下的灯泡亮度演示。(c) 相对电阻变化 (ΔR/R ₀ ) 与外加应变之间的关系。W ₂ G ₁ 凝胶组装成可穿戴表皮传感器，实时监测人体动作和细微发音。当女孩弯曲她的手背 (d) [(e) 是 (d)] 和手指 (f) 的放大图像，并发音“是或否”(g) 时，监测相对阻力变化。

总结

总之，团队展示了一种通过自催化 Ls-Cu ²⁺ 系统制备具有导电性、抗冻性、自粘附性和抗紫外线能力的有机水凝胶的简单方法。Ls-Cu ²⁺ 自氧化还原对在含有甘油和水的二元溶剂中保持动态醌-邻苯二酚氧化还原平衡，可有效加速羟基自由基的产生，触发聚合物单体（HEAA）的超快速聚合，而无需去除氧。可以通过调整 Cu ²⁺ 浓度或水与甘油的比例来协调凝胶化率。尽管快速聚合，制备的凝胶也表现出很好的机械性能。此外，由于 Ls-Cu ²⁺ 和甘油的存在，可以将紫外线阻挡、防冻/干燥、自粘和导电性能整合到凝胶中。 团队 设想 Ls-Cu ²⁺ 对可以作为一种强大的工具来实现具有多功能特性但高效运行的凝胶材料 。

参考文献 ：

doi.org/10.1039/D1TA02139G

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