聚合物-炭黑水凝胶黏弹性的双重起源：流变学与电化学阻抗谱研究

由纳米颗粒与聚合物混合形成的纳米复合材料，为设计在材料与生物科学中广泛应用的功能先进材料提供了无限的创意空间。本文关注疏水性胶体烟炱颗粒的水分散体系，即炭黑(CB)与羧甲基纤维素钠(CMC)的分散体系；CMC 是一种被称为纤维素胶、带有疏水基团并可与 CB 颗粒发生物理结合的食品添加剂。改变 CB 纳米颗粒与纤维素胶的相对含量，可探索包含凝胶相的丰富相图。我们利用流变学与电化学阻抗谱研究该水凝胶。CB-CMC 水凝胶表现出两种截然不同的力学行为，以临界 CMC 与 CB 质量比 $r_c$ 为界。当 $r<r_c$（即低 CMC 浓度）时，凝胶导电并呈现类玻璃态黏弹性谱，表明其微观结构是由 CB 纳米颗粒经 CMC 修饰形成的渗流网络。相反，CMC 浓度大于 $r_c$ 的凝胶不导电，说明 CB 纳米颗粒作为孤立团簇分散于纤维素胶基体中，并充当 CMC 网络的物理交联点，从而赋予复合材料力学刚性。此外，在 $r>r_c$ 浓度范围内，CB-CMC 凝胶呈现强烈依赖于 CMC 浓度的幂律黏弹性谱。这些弛豫谱可重整化到一条主曲线上，其在高频极限展现幂律标度，指数符合 Zimm 理论，表明在 $r>r_c$ 时 CMC 对凝胶黏弹性质起关键作用。我们的结果表征了 CB-CMC 分散体系，将有助于设计基于疏水相互作用的纳米复合材料。