“矿化塑料”——源自无定形碳酸钙与聚丙烯酸水凝胶的仿生材料

“矿化塑料”——源自无定形碳酸钙与聚丙烯酸水凝胶的仿生材料


考虑到石油类非生物降解性塑料给环境带来的危害日益严峻,在兼顾经济与环境平衡条件下,新型塑料的研发任务已经迫在眉睫。其中,一种行之有效的办法即是利用矿物基杂化材料的仿生合成法。

本文中来自德国Konstanz大学的Helmut Cölfen教授带领几位中国学生一起研发了一种无定形碳酸钙(ACC)与聚丙烯酸(PAA)水凝胶的简单制备方法。他们利用PAA对极小的ACC纳米粒子进行物理交联,从而使得该水凝胶具备可塑性、弹性及自修复性。而干燥之后的水凝胶机械性能优异,且外观透明,再次吸水溶胀后,水凝胶又可由干态恢复到其初始状态。作为基材,该体系中也可引入一些热致变色物质,不得不说,该类杂化水凝胶即将引领一种新型塑料潮流——“矿物塑料”。


图1 (a)ACC/PAA超分子水凝胶合成示意图;(b)ACC/PAA超分子水凝胶可在水中稳定存在;(c)塑性ACC/PAA超分子水凝胶形态万千;(d)ACC/PAA超分子水凝胶的伸展性;(e)ACC/PAA超分子水凝胶的自粘附性,用不同染料染色以直观表现;(f)冷冻ACC/PAA超分子水凝胶的SEM;(g)ACC/PAA干凝胶的TEM

接下来,让我们818其原理:

首先,为什么要选择无定形碳酸钙与聚丙烯酸?

生物体摄取矿物质,尤其是碳酸钙和磷酸钙,用于构建多种无机-有机功能杂化材料,以起到保护、支撑或导航等作用。矿物质在组成、形态和多级结构上的优异可控性促使材料学者们不断地研发新型人工材料。通常,凝胶状蛋白质、多糖或糖蛋白基材发生矿化会形成3D大分子组装体,如骨,牙齿,珍珠质等等,其形态固定。钙基生物矿物质一般含有0.1-1 wt%酸性蛋白质,可用于控制结晶成核。因此由ppm级多酸所产生的过渡态“聚合物致液相前驱体”对结晶化尤为重要。如果该过渡态可由外加聚合物长久稳定,那么可塑性和固化可逆性的无定形矿物基超分子水凝胶的制备则指日可待。

虽然也有文献报道过利用无定形矿物质和有机基材制备杂化生物矿物质,但都无法形成凝胶(干燥前或反复浸水后)。

制备方法如何?

将Na2CO3缓慢加入CaCl2/PAA混合液中,充分搅拌后,形成含白色粘稠沉淀的浊液,经水洗后即可获得水凝胶产物。该法操作简易,但需注意PAA分子量的选择,因为这直接关系到Ca

2+

的交联数目(Ca

2+

与COO

-

通过库仑力、螯合作用结合),以及PAA浓度。

水凝胶性能如何?

与其它矿物质-聚合物杂化水凝胶相比,该材料回收方法简易(干燥-溶胀流程),且干膜强度很高。硬度和模量分别达到 1.0±0.07 GPa和 22.4±1.1 GPa。相比于同类型的虾壳的硬度和模量仅为:0.172± 0.023 MPa,1.87±0.41 GPa,传统的PMMA的硬度和模量分别为:0.187 MPa, 3.83 GPa。

最后回顾下其自愈合性能:

该材料在湿状态下是一种可拉伸,形状记忆,自愈合凝胶;干状态下又可以作为一种环境友好,高强度矿物基杂化塑料。期待更多的成果和应用。


参考来源:

Sun,S.T.;Mao,L.B.; Lei,Z.Y.;Hydrogels from Amorphous Calcium Carbonate and Polyacrylic Acid:Bio-Inspired Materials for “Mineral Plastics”Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1 – 6,DOI: 10.1002/anie.201602849




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发布于 2019-01-01 15:58