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為了(le)提高水凝膠(jiao)拉伸(shen)性能就(jiu)需要引入能(neng)量耗散(san)機制，傳統(tǒng)(tong)方法(fa)有設計網(wǎng)絡(luo)結構(gou)、構建復合(he)材料和引入微(wei)凝膠增強(qiang)效應（可視(shi)為兩相復(fu)合凝膠）。但是(shi)在不引入(ru)其他(ta)合成高分子(zi)的情況下，要提(ti)升纖(xian)維素(su)水凝膠的(de)拉伸性(xing)能主要(yao)需從交聯(lián)(lian)策略著手(shou)，設計出能(neng)量耗散(san)能力強的(de)超拉伸網(wǎng)絡(luo)結構。目前對于(yu)水凝膠(jiao)的交聯(lián)策略(lve)主要有三種：物(wu)理交聯(lián)、化學(xue)交聯(lián)和雙交(jiao)聯(lián)。常用(yong)的物理相互作(zuo)用除了氫鍵(jian)外，還有疏水相(xiang)互作(zuo)用、離子相互作(zuo)用和主－客體相(xiang)互作用等(deng)。纖維素鏈(lian)上豐富的羥基(ji)與纖維素的三(san)維立體構象促(cu)使纖維(wei)素水凝膠自(zi)帶氫鍵(jian)交聯(lián)和鏈間交(jiao)錯纏結。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等人(ren)誘導大腸(chang)桿菌產(chǎn)(chan)生大量的細菌(jun)纖維素，通(tong)過氫鍵直接(jie)交聯(lián)制備水(shui)凝膠。改(gai)性后(hou)的細菌(jun)纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡致密(mi)但仍清晰，大(da)拉伸(shen)率可達(da)28.67％。另一(yi)方面，纖(xian)維素具有大量(liang)的氫鍵結構，這(zhe)在很大程度(du)上限(xian)制了室溫下(xia)它在水和有機(ji)介質(zhì)中(zhong)的溶(rong)解度。隨(sui)著NaOH／尿(niao)素水體系、Ｎ-甲(jia)基嗎啉-Ｎ-氧(yang)化物(wu)水合物、離子(zi)液體等溶劑(ji)體系的開(kai)發(fā)，通過(guo)重建(jian)再生纖維素(su)分子(zi)間和分子內(nèi)(nei)的氫鍵(jian)，可以制(zhi)備再生纖維(wei)素水凝膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等(deng)人用高濃度(du)的ZnCl2離子(zi)溶液(ye)溶解棉纖維(wei)素，并將離子化(hua)合物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到纖(xian)維素水凝膠網(wǎng)(wang)絡中，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配位鍵組(zu)成的物理(li)交聯(lián)水(shui)凝膠(jiao)，如圖(tu)１所示。這種(zhong)新型纖維(wei)素基水(shui)凝膠拉伸率(lv)達到１２０．０％。

為了保證(zheng)纖維(wei)素的穩(wěn)定結構(gou)和有(you)效溶(rong)脹，凝膠(jiao)過程中，一(yi)般會加入化學(xue)交聯(lián)劑(ji)促進三維(wei)網(wǎng)絡的共(gong)
價結合。目前(qian)報道多的化學(xue)交聯(lián)劑有(you)環(huán)氧化物、烷(wan)基鹵(lu)化物(wu)和含環(huán)氧鹵化(hua)基團的化(hua)合物等。鹵代(dai)烷與纖(xian)維素反(fan)應需(xu)要較強的堿(jian)性環(huán)境，因此實(shi)際操作中(zhong)常用(yong)含環(huán)(huan)氧鹵(lu)化基團(tuan)的化合物 （如環(huán)(huan)氧氯丙烷）進(jin)行化學交聯(lián)。2019年(nian)，Ｘ．Ｃｕｉ等人以豆渣(zha)中提取的纖(xian)維素為(wei)原料，通過(guo)向其(qi)中加入環(huán)氧(yang)氯丙烷 （ＥＣＨ）與(yu)無水葡萄糖(tang)單元 （ＡＧＵ），制備了具(ju)有良好機械(xie)性能的纖維素(su)水凝膠(jiao)。通過改變(bian)水凝(ning)膠的含水量(liang)，可調(diào)節(jié)(jie)機械(xie)性能，其大(da)拉伸率可達107％。化(hua)學交聯(lián)(lian)水凝膠也可以(yi)在交聯(lián)劑的存(cun)在下，通過單體(ti)自由基聚合(he)得到，自由基(ji)聚合(he)具有高反應活(huo)性和對水環(huán)境(jing)的要求相對(dui)溫和等優(yōu)勢。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過醚化(hua)改性在(zai)NaOH／尿素(su)水溶液(ye)中制(zhi)備烯丙基纖(xian)維素，再由熱(re)引發(fā)(fa)自由基(ji)聚合得到纖維(wei)素水凝(ning)膠 （ＣＩＨ），其具有高(gao)可拉伸性 （拉伸(shen)率126％）。通過合(he)理調(diào)整(zheng)化學交(jiao)聯(lián)密度(du)，還可以控(kong)制水凝膠的各(ge)項性能(neng)。此外，該 ＣＩＨ 可以(yi)作為(wei)可靠和穩(wěn)定(ding)的應變(bian)傳感器，并已(yi)成功用于監(jiān)測(ce)人類活動(dong)。

雙交(jiao)聯(lián)水(shui)凝膠具有突(tu)出的(de)性能(neng)優(yōu)勢，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用環(huán)(huan)氧氯丙(bing)烷加(jia)氫鍵交聯(lián)方法(fa)制備了(le)雙交聯(lián) （ＤＣ）纖維(wei)素水(shui)凝膠，如(ru)圖２所(suo)示。研究(jiu)了 ＤＣ纖維素(su)水凝膠(jiao)中化學(xue)交聯(lián)域和物(wu)理交(jiao)聯(lián)域的形成(cheng)和空(kong)間分布(bu)，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧氯(lv)丙烷(wan)與葡(pu)萄糖單元的物(wu)質(zhì)的(de)量的比和乙醇(chun)水溶液的濃(nong)度是調(diào)控(kong) ＤＣ纖維(wei)素水(shui)凝膠力學性能(neng)的兩個關鍵參(can)數(shù)。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(she)計了一(yi)種綠色路(lu)線來制備超(chao)堅韌的再(zai)生纖(xian)維素(su)薄膜，在堿／尿素(su)水溶液體系中(zhong)溶解纖維素，向(xiang)其中直接引(yin)入氫鍵(jian)，風干后進行結(jie)構致密化處(chu)理，水凝膠的(de)強度得(de)到了提高(gao)，但拉(la)伸率僅達到12.4％。為(wei)了得到超拉伸(shen)率的(de)純纖維素(su)水凝膠，再(zai)引入化學交(jiao)聯(lián) （環(huán)氧(yang)氯丙烷）加(jia)氫鍵的組合(he)形式，使(shi)棉纖維(wei)素的拉伸(shen)率由(you)僅有氫鍵(jian)交聯(lián)時的(de)12.4％提升到了(le)44.1％。通過長(zhang)短鏈和(he)內(nèi)外層結(jie)構設計，制(zhi)備出雙(shuang)網(wǎng)絡(luo)結構的(de)水凝膠，外層(ceng)短鏈(lian)增加(jia)損耗模(mo)量的同時，內(nèi)(nei)層長鏈交錯(cuo)纏繞，大幅度(du)提高了水 凝 膠(jiao) 的 ?大 拉 伸 率(lv)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人通過纖(xian)維素與(yu)低分子量和高(gao)分子量(liang)交聯(lián)劑(ji)的序貫反應(ying)，構建了化學雙(shuang)交聯(lián)纖維素(su)水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了(le)相對短鏈(lian)和長鏈的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)絡。他(ta)們提(ti)出了ＤＣＨ 的加固(gu)機理，短鏈(lian)交聯(lián)的斷裂(lie)有效地(di)分散了(le)機械(xie)能量，而長鏈交(jiao)聯(lián)維(wei)持了 ＤＣＨ 的彈(dan)性，因此，ＤＣＨ 的大(da)拉伸(shen)率達(da)到94.5％，此(ci)短鏈和長鏈交(jiao)聯(lián)的雙(shuang)網(wǎng)絡對纖維(wei)素水凝膠力學(xue)性能的(de)提高起(qi)到了重(zhong)要作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等(deng)人在自由(you)基聚合得到纖(xian)維素水凝(ning)膠的基(ji)礎上，將水凝(ning)膠浸入飽和(he)ＮａＣｌ溶液(ye)中進行物(wu)理交聯(lián)，制(zhi)備物化雙交(jiao)聯(lián)纖維素(su)水凝(ning)膠，其大(da)拉伸率(lv)達到了236％。值得(de)一提的(de)是，該水凝膠(jiao)應變(bian)傳感器在測(ce)量手臂和手腕(wan)的彎曲等(deng)常規(guī)動(dong)作時信號穩(wěn)(wen)定、效果良(liang)好，并(bing)在－２０℃時仍具(ju)有良好(hao)的拉伸性能，為(wei)柔性電子器(qi)件在大范(fan)圍溫度(du)下的應(ying)用提(ti)供了(le)參考。截(jie)至目前(qian)，已有很(hen)多關于(yu)物理或(huo)化學策略用(yong)來構建有效(xiao)能量耗散機(ji)制的纖維素基(ji)水凝(ning)膠的研究(jiu)。已報道的(de)水凝膠的各種(zhong)交聯(lián)策略(lve)及其拉(la)伸率的(de)對應關系如(ru)表１所示(shi)。

在交(jiao)聯(lián)方法已(yi)經(jīng)確定的情況(kuang)下，還可以通(tong)過設計幾何結(jie)構來滿足(zu)在實際應用(yong)時的(de)超拉伸要求(qiu)。常
見的可(ke)拉伸(shen)結構有(you)：島橋、波浪／皺 紋(wen)、紡織和剪(jian)紙。對于水凝(ning)膠，常(chang)采用波浪結構(gou)來提升其在應(ying)用時的(de)拉伸率。以纖(xian)維素水凝膠為(wei)例，在制備器(qi)件之(zhi)前，先把(ba)水凝膠進行(xing)預拉(la)伸，然后將(jiang)已被(bei)拉伸的水凝膠(jiao)與其他器(qi)件進(jin)行組合，隨后(hou)水凝(ning)膠收(shou)縮為波浪結構(gou)。在施(shi)加應變的情況(kuang)下，水凝膠可以(yi)產(chǎn)生及時充分(fen)的形變且(qie)不被破壞，從(cong)而使整(zheng)個襯(chen)底具備(bei)更強的拉伸能(neng)力。

摘自(zi)：《電子皮膚(fu)用纖維素水凝(ning)膠的研(yan)究進展》 微納電(dian)子技(ji)術