Chem. Mater. “流量阀”：木质素基pH刺激响应水凝胶

背景介绍

快速pH响应水凝胶在驱动器、传感器领域都有很好的应用价值。因此制备一种价格低廉、响应快速和机械力学性能良好的水凝胶材料显得尤为重要。木质素作为天然可再生的芳香环聚合物拥有独特的pH响应特性。利用木质素大分子上羧基在酸、碱溶液中的质子化和离子化作用，木质素表现出独特的pH响应溶解特性。传统的制浆造纸工艺正是利用了天然木质素在碱溶液中的溶解、沉淀来得到纤维素为主体的纸张。

近日，天津科技大学制浆造纸实验室戴琳副教授在Chem. Mater.期刊发文，以硫酸盐木质素（Kraft lignin）为原料，利用聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDGE）交联得到了木质素水凝胶材料，这种材料表现出良好的pH响应驱动性和机械力学性能。

图文解读

首先，作者在碱液中利用PEGDGE的环氧基与Kraft lignin的酚羟基交联反应得到了木质素水凝胶材料。

水凝胶在0.1 mol L^-1盐酸和氢氧化钾中表现出快速的变形、恢复与软硬变换性能。

随后作者不仅利用木质素水凝胶在酸、碱液中模拟了调控行为，还利用木质素水凝胶制备了液体流量开关，对所过滤的液体的流速进行了调控。

最后作者探究了该木质素水凝胶产生上述pH响应的机理并建立了水凝胶pH响应变形的力学模型。该水凝胶在酸性液体中由于木质素上羧基的质子化作用促进了木质素大分子间的疏水作用，形成了物理交联，造成了水凝胶表观上的收缩，同时水凝胶含水量也下降，整体结构变的致密和僵硬；当将该水凝胶浸入碱液中，羧基离子化并带负电，水凝胶溶胀软化，含水量升高。此外，制备得到的水凝胶内部应力成辐射状分布于水凝胶的一层，很好的揭示了水凝胶在反复测试中的定向弯曲的缘由。

总结

作者利用价格低廉的木质素经过一步交联的方法得到了机械性能优异、快速pH响应的水凝胶材料。该材料基于木质素的质子化作用与离子化作用表现出优异的溶胀-收缩、软化-增强驱动切换性能。因此，作者相信经过合理的设计低廉的木质素基水凝胶可以应用在更宽广的领域。

原文链接：

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

Lin. Dai; Mingshuai. Ma; Jikun. Xu; Chuanling. Si; Xiaohui. Wang; Zhong. Liu; Yonghao. Ni. All-lignin-based hydrogel with fast pH-stimuli-responsiveness for mechanical switching and actuation. Chem. Mater. 2020,