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Metal Ion-Induced Acid Hydrolysis Strategy for the One-Step Synthesis of Tough and Highly Transparent Hydrolyzed Polyacrylamide Hydrogels

水解 自愈水凝胶 材料科学 酰胺 水溶液 水溶液中的金属离子 聚丙烯酰胺 氢键 高分子化学 化学工程 金属 化学 有机化学 分子 冶金 工程类
作者
Y. Liu,Xu‐Ming Xie
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (24): 31555-31566 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.4c04452
摘要

Polyacrylamide (PAM) hydrogel is hard to enhance through coordination bonds because amide groups rarely coordinate with metal ions strongly in an aqueous solution. It is known that the aqueous solution of ZrOCl2.8H2O can be strongly acidic depending on its concentration. Consequently, through a facile one-step metal ion-induced acid hydrolysis strategy (MIAHS), tough and highly transparent hydrolyzed PAM physical hydrogels are prepared by using ZrOCl2.8H2O in this work. The formation of the partially hydrolyzed PAM physical hydrogels elucidates that the side reaction of imidization during common acid hydrolysis of PAM can be perfectly overcome because the structure of the Zr(IV) ion and its interaction with amide groups promote selective acidic hydrolysis from amide to carboxyl groups. Compared to most coordination cross-linked hydrogels, which need at least two-step fabrication, the hydrolyzed PAM hydrogel via MIAHS can be obtained by one-step synthesis due to the weak interaction between amide groups and Zr(IV). The obtained PAM hydrogel cross-linked by hydrogen bonds and coordination bond between Zr(IV) and carboxyl is a multibond network (MBN) and can achieve hierarchical energy dissipation, which exhibits excellent mechanical properties (tensile strength of 3.15 MPa, elongation at break of 890%, and toughness of 17.0 MJ m–3), high transparence (transmittance of 95%), and outstanding conductivity (5.6 S m–1) at water content of 80 wt %. The high gauge factor (from 2.24 to 12.8 as the strain increases from 0 to 400%) endows the hydrolyzed PAM hydrogels with promising application as strain sensors. Furthermore, in addition to ZrOCl2.8H2O, the fact that various hydrolyzable compounds of Ti(IV), Zr(IV) Hf(IV), and Sn(IV) can also fabricate tough hydrolyzed PAM hydrogels verifies the universality of MIAHS. Therefore, the simple, efficient, and universal MIAHS will shed new light on preparing functional PAM-based hydrogels.
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