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為了提高水凝(ning)膠拉(la)伸性能就需要(yao)引入能量耗散(san)機(jī)制(zhi)，傳統(tǒng)方法(fa)有設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)、構(gòu)(gou)建復(fù)合材(cai)料和引入微凝(ning)膠增(zeng)強(qiáng)效應(yīng)(ying)（可視為兩相(xiang)復(fù)合凝膠(jiao)）。但是在(zai)不引(yin)入其他合成(cheng)高分子的情(qing)況下，要(yao)提升纖維素水(shui)凝膠的拉(la)伸性(xing)能主要(yao)需從(cong)交聯(lián)策略著(zhe)手，設(shè)計(jì)(ji)出能量耗散(san)能力強(qiáng)的超拉(la)伸網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)。目前對(dui)于水凝膠的交(jiao)聯(lián)策略主(zhu)要有三種(zhong)：物理交聯(lián)、化學(xué)(xue)交聯(lián)(lian)和雙交聯(lián)。常用(yong)的物理相互(hu)作用除了氫鍵(jian)外，還有疏水相(xiang)互作用(yong)、離子(zi)相互作(zuo)用和主－客體相(xiang)互作用等。纖(xian)維素鏈(lian)上豐富的羥(qiang)基與纖維素(su)的三(san)維立(li)體構(gòu)象促使(shi)纖維素水凝膠(jiao)自帶氫鍵交(jiao)聯(lián)和鏈(lian)間交(jiao)錯(cuò)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人(ren)誘導(dǎo)大(da)腸桿菌產(chǎn)生大(da)量的細(xì)菌纖維(wei)素，通過氫鍵(jian)直接(jie)交聯(lián)制備水(shui)凝膠。改性(xing)后的(de)細(xì)菌纖維素(su)水凝膠(jiao)網(wǎng)絡(luò)致(zhi)密但(dan)仍清晰，大拉(la)伸率可達(dá)28.67％。另一(yi)方面，纖維(wei)素具有大(da)量的氫鍵結(jié)(jie)構(gòu)，這(zhe)在很大(da)程度上限制了(le)室溫下它在水(shui)和有(you)機(jī)介質(zhì)中的溶(rong)解度。隨著NaOH／尿(niao)素水體(ti)系、Ｎ-甲基嗎啉(lin)-Ｎ-氧化物(wu)水合物、離子液(ye)體等溶(rong)劑體系的(de)開發(fā)，通過(guo)重建再(zai)生纖(xian)維素分子間(jian)和分(fen)子內(nèi)的(de)氫鍵，可以制備(bei)再生纖(xian)維素水凝(ning)膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用(yong)高濃度的ZnCl2離(li)子溶(rong)液溶解棉(mian)纖維素，并將離(li)子化合物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整(zheng)合到纖維(wei)素水凝膠網(wǎng)絡(luò)(luo)中，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配(pei)位鍵組成的(de)物理交聯(lián)水(shui)凝膠，如圖１所示(shi)。這種新型纖(xian)維素(su)基水凝(ning)膠拉伸率達(dá)到(dao)１２０．０％。

為了保證纖維(wei)素的(de)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和有(you)效溶脹，凝膠(jiao)過程中，一般(ban)會加入化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑促進(jìn)三(san)維網(wǎng)絡(luò)的(de)共
價(jià)結(jié)合。目前(qian)報(bào)道多的化學(xué)(xue)交聯(lián)劑有環(huán)氧(yang)化物、烷基鹵化(hua)物和含環(huán)氧鹵(lu)化基團(tuán)的化(hua)合物等。鹵代烷(wan)與纖維(wei)素反應(yīng)需(xu)要較強(qiáng)的堿(jian)性環(huán)境(jing)，因此實(shí)際操作(zuo)中常用(yong)含環(huán)氧鹵(lu)化基(ji)團(tuán)的(de)化合物(wu) （如環(huán)(huan)氧氯丙烷）進(jìn)行(xing)化學(xué)交聯(lián)。2019年(nian)，Ｘ．Ｃｕｉ等人以(yi)豆渣中(zhong)提取(qu)的纖(xian)維素為原(yuan)料，通過向其中(zhong)加入環(huán)氧氯(lv)丙烷 （ＥＣＨ）與無(wu)水葡萄(tao)糖單元 （ＡＧＵ），制備(bei)了具有(you)良好機(jī)(ji)械性能的纖(xian)維素水凝膠(jiao)。通過(guo)改變水凝膠(jiao)的含水量，可(ke)調(diào)節(jié)機(jī)(ji)械性能，其大拉(la)伸率可(ke)達(dá)107％?；瘜W(xué)交聯(lián)(lian)水凝(ning)膠也可(ke)以在交(jiao)聯(lián)劑的存在下(xia)，通過單體自(zi)由基聚合得(de)到，自由基聚(ju)合具有高(gao)反應(yīng)(ying)活性和對水(shui)環(huán)境(jing)的要(yao)求相對溫(wen)和等(deng)優(yōu)勢。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過(guo)醚化改(gai)性在NaOH／尿素水溶(rong)液中制備烯丙(bing)基纖維素(su)，再由熱(re)引發(fā)(fa)自由基聚合(he)得到(dao)纖維素水凝(ning)膠 （ＣＩＨ），其具有高可(ke)拉伸性 （拉(la)伸率126％）。通(tong)過合理調(diào)(diao)整化學(xué)交(jiao)聯(lián)密度，還可(ke)以控制(zhi)水凝膠(jiao)的各項(xiàng)性能。此(ci)外，該 ＣＩＨ 可以(yi)作為可(ke)靠和穩(wěn)(wen)定的應(yīng)(ying)變傳(chuan)感器，并已(yi)成功用于監(jiān)測(ce)人類活動(dong)。

雙交聯(lián)水(shui)凝膠具(ju)有突出(chu)的性能優(yōu)勢，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用環(huán)(huan)氧氯丙烷加氫(qing)鍵交聯(lián)(lian)方法制備(bei)了雙交聯(lián) （ＤＣ）纖維(wei)素水凝膠，如圖(tu)２所示。研究(jiu)了 ＤＣ纖維素水(shui)凝膠中(zhong)化學(xué)交聯(lián)域和(he)物理(li)交聯(lián)(lian)域的形成(cheng)和空間分布(bu)，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷與葡萄糖單(dan)元的物質(zhì)的(de)量的比和乙醇(chun)水溶液的(de)濃度是調(diào)控(kong) ＤＣ纖維素水(shui)凝膠力學(xué)(xue)性能的兩個(gè)(ge)關(guān)鍵(jian)參數(shù)。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(shè)計(jì)了一(yi)種綠色路(lu)線來制備超(chao)堅(jiān)韌(ren)的再(zai)生纖維素薄膜(mo)，在堿／尿(niao)素水溶液體(ti)系中(zhong)溶解纖(xian)維素，向其中(zhong)直接引入氫鍵(jian)，風(fēng)干(gan)后進(jìn)行結(jié)(jie)構(gòu)致密化(hua)處理，水凝膠(jiao)的強(qiáng)度(du)得到了提(ti)高，但拉伸(shen)率僅(jin)達(dá)到(dao)12.4％。為了得到超拉(la)伸率的(de)純纖維素水(shui)凝膠，再引(yin)入化學(xué)交(jiao)聯(lián) （環(huán)氧氯丙(bing)烷）加(jia)氫鍵的組合(he)形式，使棉纖維(wei)素的拉伸率(lv)由僅有氫(qing)鍵交(jiao)聯(lián)時(shí)的12.4％提升到(dao)了44.1％。通(tong)過長短(duan)鏈和內(nèi)(nei)外層結(jié)(jie)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備(bei)出雙網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)的(de)水凝膠(jiao)，外層短鏈增(zeng)加損耗(hao)模量的同時(shí)，內(nèi)(nei)層長鏈交錯(cuò)(cuo)纏繞，大幅度提(ti)高了水 凝 膠 的(de) ?大 拉 伸 率。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人通過纖(xian)維素與(yu)低分子量(liang)和高分(fen)子量(liang)交聯(lián)劑的(de)序貫反應(yīng)，構(gòu)建(jian)了化(hua)學(xué)雙交聯(lián)(lian)纖維(wei)素水凝(ning)膠 （ＤＣＨ），得到了相對(dui)短鏈和長鏈的(de)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(luo)。他們提出(chu)了ＤＣＨ 的加(jia)固機(jī)理，短(duan)鏈交(jiao)聯(lián)的斷裂有效(xiao)地分散(san)了機(jī)械(xie)能量，而長鏈(lian)交聯(lián)維持(chi)了 ＤＣＨ 的彈性，因(yin)此，ＤＣＨ 的大拉伸(shen)率達(dá)到94.5％，此短鏈(lian)和長鏈交聯(lián)(lian)的雙網(wǎng)絡(luò)對纖(xian)維素水凝膠力(li)學(xué)性能的(de)提高起到了(le)重要作(zuo)用。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人(ren)在自由(you)基聚合得到纖(xian)維素水(shui)凝膠的基礎(chǔ)上(shang)，將水凝膠浸入(ru)飽和ＮａＣｌ溶(rong)液中進(jìn)(jin)行物理交聯(lián)，制(zhi)備物化雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao)，其大拉伸率達(dá)(da)到了(le)236％。值得(de)一提的(de)是，該水(shui)凝膠應(yīng)變傳(chuan)感器在(zai)測量(liang)手臂和手腕的(de)彎曲等常規(guī)動(dong)作時(shí)(shi)信號(hao)穩(wěn)定、效(xiao)果良(liang)好，并在(zai)－２０℃時(shí)仍具有良(liang)好的拉伸(shen)性能，為柔性(xing)電子器件(jian)在大范圍(wei)溫度下的(de)應(yīng)用提供了(le)參考。截至目前(qian)，已有很(hen)多關(guān)(guan)于物(wu)理或化學(xué)策(ce)略用(yong)來構(gòu)建有效能(neng)量耗散機(jī)(ji)制的(de)纖維素(su)基水凝膠(jiao)的研究。已(yi)報(bào)道的(de)水凝膠的各種(zhong)交聯(lián)(lian)策略及其拉(la)伸率的對應(yīng)(ying)關(guān)系如表(biao)１所示。

在交聯(lián)方(fang)法已經(jīng)確(que)定的情況(kuang)下，還可以通過(guo)設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)(gou)來滿(man)足在實(shí)際(ji)應(yīng)用時(shí)的超(chao)拉伸要求。常(chang)
見的可拉伸(shen)結(jié)構(gòu)有：島橋、波(bo)浪／皺 紋、紡(fang)織和剪(jian)紙。對于水(shui)凝膠，常(chang)采用(yong)波浪結(jié)構(gòu)(gou)來提升其在應(yīng)(ying)用時(shí)的拉(la)伸率。以纖(xian)維素水凝膠為(wei)例，在制(zhi)備器(qi)件之前，先把(ba)水凝膠進(jìn)行(xing)預(yù)拉伸，然后將(jiang)已被拉伸(shen)的水凝膠(jiao)與其他器件進(jìn)(jin)行組合(he)，隨后水凝膠(jiao)收縮為波(bo)浪結(jié)構(gòu)(gou)。在施加應(yīng)變的(de)情況下，水凝(ning)膠可(ke)以產(chǎn)生及時(shí)(shi)充分的(de)形變且不被(bei)破壞，從而使整(zheng)個(gè)襯底具備更(geng)強(qiáng)的拉伸(shen)能力(li)。

摘自：《電子皮(pi)膚用纖維素水(shui)凝膠的研(yan)究進(jìn)展》 微納電(dian)子技(ji)術(shù)