Super strong and tough anisotropic hydrogels through synergy of directional freeze-casting, metal complexation and salting out

自愈水凝胶 极限抗拉强度 韧性 复合材料 铸造 乙烯醇 材料科学 离子键合 复合数 离子电导率 化学 纳米技术 高分子化学 电解质 聚合物 离子 电极 有机化学 物理化学
作者
Lei Zhang,Kai Wang,Sen Weng,Xiancai Jiang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:463: 142414-142414 被引量:37
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.142414
摘要

Strong and tough ionic conductive hydrogel is one of the key raw materials for the development of high-performance flexible electronic products. However, it is still challenging to prepare ionic conductive hydrogel materials with the integration of ultra-high mechanical strength, extremely high toughness and ionic conductivity. In this work, a simple strategy is proposed to prepare super strong and tough hydrogels through multi-length scale synergistic strengthening. The directional freeze-casting would endow hydrogels with good anisotropic structure at the micro-scale and the post-treatment of soaking in the saturated Na3Cit and Al2(SO4)3 composite solution would introduce metal complexation and chain entanglement to realize network structure densification at the sub-micro and nano-scale. These effects have been proven to be positive and synergistic, which can significantly increase the tensile strength, toughness and Young's modulus of the poly(vinyl alcohol)/carboxymethyl chitosan (PVA/CMCS) hydrogel. The optimum tensile strength, toughness, Young's modulus and tear energy of PVA/CMCS/Na3Cit/Al2(SO4)3 hydrogel reach 25.9 MPa, 90.9 MJ/m3, 422.6 MPa and 118.2 MJ/m2. This super strong and tough conductive hydrogel was assembled into a sensor and combined with Morse code to realize information transmission, encryption and decryption. This work provides a new scheme for the preparation of ultra-strong ionic conductive hydrogel for flexible electronics.
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