近日，Xiaofeng Pan, Xiang Li, Rui Wang, 汪钟凯, 倪永浩, 王勤华等提出一种绿色、高效且协同的增强方法，通过在木质素磺酸钠（Lignosulfonate Sodium, LS）溶液中对聚乙烯醇（Poly(vinyl alcohol), PVA）水凝胶进行动态拉伸训练，以加速水凝胶的强度增强过程。相关成果“Accelerated Hydrogel Strengthening: Synergy between Mechanical Training and Lignin Intake” 发表于自然指数期刊Nano Letters。
水凝胶因其与生物组织相似的韧性和结构，在工程科学、生物医学和化学材料等领域有广泛应用。然而，水凝胶的机械强度通常不如橡胶类材料，限制了其在高应力环境中的耐久性。早期研究通过在水凝胶前体中引入双网络、三网络、纳米复合材料和离子交联网络来增强水凝胶的强度，但效果并不理想。近年来，研究转向对制备好的水凝胶进行后处理以显著提高其强度，例如通过反复拉伸训练或溶剂浸泡，但是增强速度均受限。
借鉴“30% 运动, 70% 营养”的肌肉快速增长理念，提出在LS溶液中对PVA水凝胶进行重复动态拉伸的协同增强方法。
基于此，王勤华团队提出了一种快速、高效的水凝胶增强方法，通过在LS溶液中对PVA水凝胶进行动态拉伸训练，显著提高了水凝胶的机械性能。该方法不仅具有绿色、高效的特点，还具有良好的适应性和可扩展性。通过替换LS溶液为其他溶剂，进一步扩展了该方法的应用范围。这种协同增强技术为未来水凝胶的创新和应用提供了有前景的解决方案。
水凝胶制备：将15克PVA完全溶解在85克水中，冷冻22小时后解冻以获得PVA水凝胶。将PVA水凝胶浸泡在40%（质量分数）LS溶液中约16.7分钟，以获得PVA-LS水凝胶。将PVA水凝胶在去离子水中进行500次往复拉伸循环（应变：100%），以获得PVA-T水凝胶。将PVA水凝胶在40%（质量分数）LS溶液中进行500次往复拉伸循环（应变：100%），以获得PVA-TS水凝胶。将PVA水凝胶预先拉伸100%并固定，然后浸泡在40%（质量分数）LS溶液中约16.7分钟，以获得预拉伸（100%）-LS- PVA水凝胶。
性能测试与表征：对不同水凝胶进行拉伸测试，获得应力 - 应变曲线，计算拉伸强度、韧性和杨氏模量。运用 XPS、UV-vis 透射率、2D SAXS、XRD、SEM等技术，分析水凝胶的微观结构、元素分布和晶体结构。
PVA-TS 水凝胶性能最佳，能承受 1.25 kg 重物且拉伸后残余应变小，拉伸强度、韧性和杨氏模量分别提高 76 倍、117 倍和 304 倍 ，远超单一处理的水凝胶。
与PVA-S水凝胶相比，PVA-TS水凝胶的结晶峰强度更高，说明LS在动态拉伸过程中更好地融入聚合物链，增强了结晶区域。PVA-TS 水凝胶呈现致密定向区域，LS 沿拉伸方向排列。2D SAXS 显示 PVA-TS 水凝胶有明显取向结构，XRD 表明其存在更多 PVA 半结晶区域，这些结构变化增强了水凝胶的机械强度。Hermans取向因子计算结果为-0.122，进一步证实了PVA-TS水凝胶的取向性。
使用硫酸钠溶液、乙二醇和DES溶剂替代LS溶液进行协同增强处理，结果表明这些溶剂也能加速提高水凝胶的强度，并且具有类似的定向聚合物网络结构。PVA-TS-SS、PVA-TS-EG和PVA-TS-DES水凝胶的拉伸强度和韧性均显著高于仅经过浸泡处理的水凝胶。证明该方法适应性强。
在 LS 溶液中动态拉伸训练 PVA 水凝胶的方法，能在短时间内显著提升水凝胶的机械性能。LS 溶液可被多种溶剂替代，实现相似增强效果，体现了该方法的高效性、适应性和可扩展性。此方法为水凝胶强化提供了新途径，有望推动水凝胶在高强度工程材料、生物医学组织工程等领域的创新应用。此外，该方法的快速性和低成本特性使其在实际应用中具有显著优势。
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原文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c00272
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