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Kinetic insights into glassy hydrogels with hydrogen bond complexes as the cross-links

材料科学 自愈水凝胶 甲基丙烯酰胺 氢键 微观结构 动态力学分析 化学工程 胶体 动力学 脆性 复合材料 聚合物 共聚物 高分子化学 分子 有机化学 化学 工程类 丙烯酰胺 物理 量子力学
作者
Xin Ning Zhang,Cong Du,Miao Du,Qiang Zheng,Zi Liang Wu
出处
期刊:Materials Today Physics [Elsevier BV]
卷期号:15: 100230-100230 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.mtphys.2020.100230
摘要

Revealing the structure formation kinetics is a long-term challenging issue in the development of tough hydrogels, although they are significant for understanding structure-property relationship and toughening mechanism. Here, we report a series of tough and stiff poly(methacrylamide-co-methacrylic acid) hydrogels, with a focus on the structure-property relationship and structure formation kinetics. These hydrogels in a glassy state possess moderate water content and excellent mechanical properties with Young's modulus up to 200 MPa. The microstructure of the gels changes from uniform to bicontinuous and then to colloidal network as the fraction of methacrylamide, fam, increases, accounting for the ductile-brittle transition of the mechanical performances. Sequential gelation and vitrification take place in the systems with relatively low fam to form transparent gels with a homogeneous matrix, whereas colloidal jamming and coarsening occur in the systems with high fam to form opaque gels with a colloidal network structure. The structure and properties of the glassy gels are determined by the hydrogen bond complexation and the microphase separation that are strengthened by the increase in fam. Based on these findings, the mechanical properties of hydrogels with high fam can be improved by suppressing the microphase separation during the gel synthesis. Understanding the structure-property relationship and regulation strategy of both microstructure and macroscopic performance of these glassy hydrogels should be inspirative for designing other tough materials with diverse applications as structural elements in biomedical and engineering fields.
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