木質素水凝膠驅動器,可快速pH響應

快速pH響應性水凝膠在驅動、傳感和分離等多領域中具有很高的實用價值。傳統pH響應性水凝膠通常是具有較差的物理強度和韌性,而通過化學交聯法制備的水凝膠在pH響應速率和可逆性方面表現不佳。近年來,研究人員將互穿網絡、拓撲結構或多功能納米材料等引入pH水凝膠結構,制備瞭多種具有良好pH響應性及力學性能的水凝膠。但大多需要昂貴的原料或繁瑣的制備過程。至今,制備低成本、高性能的pH響應性水凝膠仍是一大挑戰。實際上,木質素作為自然界中最豐富的可再生芳香聚合物,不僅成本低廉而且在酸堿環境中會發生質子化和離子化作用。長久以來,制漿造紙工業正是利用這一獨特的pH響應性實現瞭木質素的脫除和纖維素的提取。

木質素水凝膠驅動器,可快速pH響應

基於此,天津科技大學戴林副教授等人在《Chemistry of Materials》上發表瞭題為“All-lignin-based hydrogel with fast pH-stimuli-responsiveness formechanical switching and actuation”的研究論文,報道瞭一種新型、快速pH響應性木質素水凝膠。該木質素水凝膠在酸/堿溶液中表現出快速、多次、可逆的硬/軟、彎曲/恢復行為變化,其彎曲/恢復速率分別高達8.0°/s和6.5°/s。其斷裂應力/應變可由18.0kPa/17.4%(pH 14.0)提升至36.0 kPa/29.4%(pH 1.0)。利用這些特性,研究成功設計制備瞭pH響應鉤取裝置和流體開關裝置。這種低成本、快速pH響應性木質素水凝膠不僅為智能材料的開發提供瞭一個獨特的材料平臺,也為木質素基材料開辟瞭新的應用領域。

【圖文導讀】

1. 木質素水凝膠的制備

研究采用的是十分簡單、可控的堿性開環合成工藝,以最常見的工業硫酸鹽木質素為原料、低分子量聚乙二醇二縮水甘油醚作為交聯劑制得木質素水凝膠。反應所用的氫氧化鉀堿性反應體系起到溶解木質素和促進開環反應的雙重作用。

木質素水凝膠驅動器,可快速pH響應
圖1. 木質素水凝膠的合成、結構及組分表征

2. 木質素水凝膠pH響應性能

圖2顯示瞭該木質素水凝膠在酸/堿溶液中彎曲/恢復行為。制備成條形片狀的木質素水凝膠在0.1 M HCl溶液中僅需27s即可彎至216°,隨後浸泡至0.1 MKOH溶液中30s後可恢復形變(<20°)。該過程可重復多次(>10次)。與其他相關研究相比,該木質素水凝膠具有出色的pH響應彎曲速率(8.0°/s)及形變恢復速率(6.5°/s)。

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圖2.木質素水凝膠在酸/堿溶液中的彎曲/恢復表征

3. 木質素水凝膠pH驅動裝置

圖3顯示瞭該木質素水凝膠的驅動性能。木質素水凝膠首先被制成條形片狀用於pH響應鉤取裝置。條形木質素水凝膠在0.1 M HCl溶液中可以自發彎曲並鉤取相當於自重6倍的重物。隨後,木質素水凝膠被制成方形片狀並粘附於Parafilm® M圓形膜上,與過濾器組裝成流體閥門裝置,顯示出良好的pH響應開關功能。

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圖3.木質素水凝膠制成的pH響應鉤取裝置和流體開關裝置

4. 木質素水凝膠pH響應機理

圖4顯示瞭該木質素水凝膠在酸堿環境下的含水量、微觀形貌及力學性質。隨環境pH值降低(14.0至1.0),該木質素凝膠含水量由92%降至49%,斷裂應力由18.0 kPa增至36.0 kPa,斷裂應變由17.4%增至29.4%。材料截面微觀結構顯示,堿性環境下木質素水凝膠具有疏松的大孔結構,而在酸性環境下水凝膠收縮明顯,表現出致密的網絡及較小的孔隙結構。這是由於酸性環境使木質素分子上羧基發生質子化作用,促進瞭木質素分子間的疏水相互作用,從而形成物理交聯。水凝膠再次進入堿性環境中後,羧基會再次發生離子化作用,恢復柔軟的木質素網絡結構。

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圖4.木質素水凝膠在不同pH環境下的含水量、微觀形貌及力學性質

研究發現,該木質素水凝膠僅發生單側彎曲,此現象可能是由水凝膠內部徑向應力所致。為瞭驗證這一想法,研究將木質素/聚乙二醇二縮水甘油醚懸浮液倒入Parafilm®M膜上進行成型,通過檢測Parafilm® M膜間接表征該木質素水凝膠各處的彈性勢能。直觀顯示的水凝膠彈性勢能變化趨勢與實際形變基本相符。這表明,通過合理的設計及成形方法,這種廉價、綠色的木質素水凝膠有望實現更多的智能應用。

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圖5.木質素水凝膠內部應力表征

【亮點小結】

綜上所述,作者報道瞭一種低成本、制備工藝簡單且具有快速pH響應性的木質素水凝膠材料。通過簡單的酸堿溶液交替浸泡,該木質素水凝膠可以表現出快速、多次、可逆的硬/軟、彎曲/恢復行為變化。利用這些特性,研究實現瞭pH響應鉤取行為及流量控制。這種低成本、快速pH響應性木質素水凝膠不僅為智能材料的開發提供瞭一個獨特的材料平臺,也為木質素基材料開辟瞭新的應用領域。

全文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c01198

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