一种可大规模制备多尺度结构化功能表面水凝胶材料的简易方法

近日，北京航空航天大学刘明杰教授和刘克松教授团队报道了一种可大规模制备多尺度结构化功能表面的水凝胶材料的简易方法。该方法依赖于聚合物链扩散与随后的冻结诱导凝胶化和微相分离过程之间的相互作用。即他们的策略是通过两个连续的过程：1、扩散驱动的混合过程；2、冷冻诱导的凝胶化和微相分离。前者形成扩散层,后者在此扩散层中产生结构，然后冷冻使得聚合物凝胶化到微相分离，最终固定凝胶表面的微/纳米结构。由于该动态过程(即凝胶化和扩散作用)是各种聚合物材料的通用动态特性,因此本方法具有一定普适性。基于此方法，通过控制界面扩散区的温度梯度和扩散区域，可制备具有梯度结构和图案化的凝胶表面。由此形成的微/纳米结构表面不仅使得凝胶材料具有抗脱水作用，而且可作为毛细管系统发挥输液作用。这项研究将为大规模开发多种功能化表面的凝胶材料指明了新的研究方向。

首先，将一定浓度的(5，7.5，10 wt%)PVA粉末在90°C下溶解在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中。再将均匀溶液浇铸到聚苯乙烯(PS)模具。PS基底可溶解在PVA/NMP溶液中，由此可在界面上形成一个相互扩散层，扩散时间可以控制扩散层的宽度。当混合物的温度降低时，由于PVA聚合物开始凝胶化，坍缩的PS链(底部)将从PVA凝胶中分离出来，因为NMP可以溶解PS，PS在PVA凝胶后保持液态，这使得PVA链在扩散层中可移动，随着进一步的凝胶化，多尺度结构表面即被固定。需要注意的是，这中微观相分离并非结晶导致，而是PVA和溶剂NMP所形成的一种复合物，且在这一制备过程中，溶剂(NMP)对凝胶的形成、表面结构的形成和保持以及该动态过程的加快起着关键作用。

成果展示

图 1.PVA 凝胶的制备和结构表征。

a) NMP、PVA、PS 和结合点（NMP和PVA）的分子结构和相应的原理图。b) 多尺度结构化水凝胶表面的制造过程和形成机制的原理图。c) 大尺寸(25cm×25cm)多尺度结构化水凝胶表面的照片和相应的SEM图像。SEM图像演示了在水凝胶表面构建大面积多尺度结构的扩散-冻结诱导微相分离。

图 2.通过调整凝胶温度和扩散时间来控制水凝胶表面结构。

a) 由凝胶温度控制的表面结构。SEM图(顶部)和PVA水凝胶3D光学轮廓图像(中间)展示:A)+20°，B)+10°和C)0°b) 表面结构由扩散时间控制。SEM(顶部)和PVA水凝胶3D光学轮廓图像(中间)展示:D)0s,E)120s和F)240s。

图 3.通过控制冷冻温度梯度形成多尺度结构化水凝胶表面。

a) 控制冷冻温度梯度构建多尺度结构化水凝胶表面的原理图。b) 原位红外热成像,用于监测温度梯度变化。c) 制备水凝胶表面的照片,温度梯度从 +20 到 0 °C。d) 水凝胶表面的SEM图像,其梯度结构在相应区域的变化,如(b)所示。e) 通过控制扩散区域制备所需图案的水凝胶表面。

图 4.平滑和多尺度结构表面PVA水凝胶的液体传输和保水能力。

a) 黑暗环境中不同液体运输行为的荧光照片(由罗达明B染色的水，香豆素6染色的DMF，苝红染色的n-六溴二苯醚);液体可以在几分钟内由整个多尺度水凝胶自发上升,并表现出强烈的荧光，而这种现象在平滑的水凝胶中未观察到。b) 在脱水实验中拍摄的多尺度结构表面水凝胶和平滑水凝胶的照片。c) 在不同的时间下响应的质量（%）变化。在环境测试条件下(28 °C 和 湿度38%)12h，多尺度结构化表面水凝胶的重量没有明显变化,而平滑水凝胶在 12h之后失去了大部分水，d)C-MSH 的制备原理图。e,f) 12h前后的脱水实验中的 SSH、MSH 和 C-MSH 照片。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201808217