陕西科技大学游翔宇、张慧洁副教授、浙江大学饶平副研究员 AFM：木质素基超薄水凝胶涂层

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-10-10 07:59

正文

水凝胶涂层是将基材与水凝胶功能性表面相结合的关键策略。然而，水凝胶涂层往往与基材表面存在粘附能低的问题限制了其应用。为了提高水凝胶与基材的界面结合力，目前主要策略是通过与基材表面形成共价键或互穿结构，但这些策略往往涉及较复杂的涂层工艺，如表面修饰、水凝胶原位聚合、交联等。这种复杂的涂覆工艺在一定程度上限制了其通用性。因此，开发一种涂施简单、涂施过程不涉及水凝胶单体聚合的，可以克服水的干扰、与各类材料表面均具有较强粘附力的水凝胶涂层仍面临挑战。

基于此，陕西科技大学生物质功能材料团队游翔宇副教授、生物质与功能材料研究所张慧洁副教授和浙江大学饶平副研究员等利用疏水木质素和亲水高分子在溶剂挥发过程中自组装行为，通过简单的室温干燥和溶胀过程构建了具有 Janus 结构的水凝胶涂层。其中，Janus 结构底部疏水木质素聚集区凭借密集的范德华力与材料表面形成较强的界面粘附，亲水聚合物在顶部膨胀形成亲水表面。疏水木质素密集区域一方面使水凝胶涂层具有高强韧性，另一方面能够有效限制水凝胶涂层在水中溶胀，进而形成约 8 微米的超薄水凝胶涂层。此外，凭借密集的范德华力与基材建立起界面结合力，使该水凝胶涂层在各种基材（如玻璃、聚四氟乙烯（PTFE）、金属、橡胶等）上均有较强粘附性。Janus 结构顶部的亲水网链形成的水化层提升了涂层的润滑与防污性能。并且，该水凝胶涂层在水和盐水溶液中呈现出高稳定性、紫外线屏蔽性能，同时具备使用后可去除和回收的能力。同时，该水凝胶涂层在施涂过程中不涉及材料表面改性和水凝胶的聚合过程，具备施涂工艺简单，施涂方式多样，可适用于大表面施涂的特性。这些特性使得木质素水凝胶涂层在生物医学、船体防污以及紫外线防护等领域具有广阔的应用前景。

图 1 木质素基水凝胶涂层的合成工艺及结构。

图 2 木质素基水凝胶膜的形成及力学性能。

图 3 木质素基水凝胶涂层的最薄厚度和粘附性能

图 4 Janus结构和润滑防污性能

图 5 稳定性和抗紫外线阻隔性能

图 6 以各种涂施方法涂施在不同材料表面的水凝胶涂层其回收性能

相关研究成果以“Lignin-Based Ultrathin Hydrogel Coatings with Strong Substrate Adhesion Enabled by Hydrophobic Association”为题发表于国际顶级期刊Advanced Functional Materials（DOI:10.1002/adfm.202413464）。陕西科技大学硕士研究生刘璇和陕西科技大学张慧洁副教授为论文的共同一作，陕西科技大学游翔宇副教授、张慧洁副教授、浙江大学饶平副研究员为论文的通讯作者。该研究得到国家自然科学基金和陕西省重点研发项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202413464

来源：高分子科学前沿

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