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Bioinspired Bouligand-Structured Cellulose Nanocrystals/Poly(vinyl alcohol) Composite Hydrogel for Enhanced Impact Resistance

乙烯醇 材料科学 纤维素 复合数 纳米晶 纳米纤维素 化学工程 复合材料 纳米技术 聚合物 工程类
作者
Pengcheng Cui,Jiadong Chen,Kewen Fu,Jie Deng,Taolin Sun,Kun Chen,Panchao Yin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (39): 53022-53032 被引量:15
标识
DOI:10.1021/acsami.4c13264
摘要

Impact-protective materials are gaining importance because of the widespread occurrence of impact damage. Hydrogels have emerged as promising candidates owing to their lightweight and flexible nature. However, achieving soft impact-resistant hydrogels with exceptional stiffness, strength, and toughness remains a challenge. Inspired by the Bouligand structure found in the smasher dactyl club of stomatopods, we propose a straightforward multiscale hierarchical structural design strategy. This strategy integrates self-assembly and salting-out techniques to enhance the impact resistance of soft hydrogels. Rigid cellulose nanocrystals (CNCs) self-assemble into Bouligand-like structures within soft poly(vinyl alcohol) (PVA) matrix via supramolecular interactions. This rational structural design combines the CNC Bouligand structure with a cross-linked network of soft PVA crystalline domains, resulting in a composite hydrogel with impressive mechanical properties: high tensile fracture strength (30.2 MPa), elastic modulus (62.7 MPa), and fracture energy (75.6 kJ m-2), surpassing those of other tough hydrogels. Moreover, the multiscale hierarchical structure facilitates various energy dissipation mechanisms, including crack twisting, tortuous crack paths, and PVA chain orientation, resulting in notable force attenuation (80.4%) in the composite hydrogel. This biomimetic design strategy opens new avenues for developing soft and lightweight impact-resistant materials.
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