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為了提高水凝(ning)膠拉伸性能(neng)就需要引入能(neng)量耗散機(jī)制，傳(chuan)統(tǒng)方(fang)法有(you)設(shè)計(jì)網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建(jian)復(fù)合材料和引(yin)入微凝(ning)膠增強(qiáng)效應(yīng)(ying)（可視為(wei)兩相(xiang)復(fù)合(he)凝膠）。但是在不(bu)引入其他合成(cheng)高分(fen)子的情況(kuang)下，要提(ti)升纖維素水(shui)凝膠的(de)拉伸性能(neng)主要需(xu)從交聯(lián)策略著(zhe)手，設(shè)(she)計(jì)出能量(liang)耗散能(neng)力強(qiáng)的超(chao)拉伸網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)。目前對(duì)于(yu)水凝膠的(de)交聯(lián)策略主(zhu)要有三(san)種：物理交聯(lián)(lian)、化學(xué)交聯(lián)和(he)雙交聯(lián)。常用(yong)的物理相(xiang)互作用(yong)除了氫鍵外，還(hai)有疏(shu)水相(xiang)互作用、離(li)子相互作(zuo)用和(he)主－客體相(xiang)互作(zuo)用等。纖維(wei)素鏈上豐富的(de)羥基(ji)與纖(xian)維素的三維(wei)立體構(gòu)(gou)象促使(shi)纖維(wei)素水(shui)凝膠(jiao)自帶(dai)氫鍵交聯(lián)和鏈(lian)間交錯(cuò)(cuo)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導(dǎo)大腸(chang)桿菌產(chǎn)生(sheng)大量的細(xì)菌纖(xian)維素，通過(guò)(guo)氫鍵直接交(jiao)聯(lián)制備水凝膠(jiao)。改性后的(de)細(xì)菌纖維素水(shui)凝膠網(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)素具有大量(liang)的氫鍵結(jié)構(gòu)，這(zhe)在很大程度(du)上限制了室(shi)溫下它在水(shui)和有機(jī)介(jie)質(zhì)中的溶解(jie)度。隨著NaOH／尿(niao)素水(shui)體系、Ｎ-甲(jia)基嗎啉-Ｎ-氧化(hua)物水合物(wu)、離子液(ye)體等溶劑(ji)體系(xi)的開發(fā)，通過(guò)(guo)重建(jian)再生纖維(wei)素分子間和(he)分子內(nèi)的(de)氫鍵(jian)，可以制備再(zai)生纖維素水(shui)凝膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等(deng)人用高濃(nong)度的ZnCl2離(li)子溶(rong)液溶(rong)解棉纖維素，并(bing)將離子化合物(wu)（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合(he)到纖(xian)維素水凝(ning)膠網(wǎng)絡(luò)中，得到(dao)Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維(wei)素配位鍵組成(cheng)的物理交(jiao)聯(lián)水凝膠(jiao)，如圖１所示(shi)。這種(zhong)新型(xing)纖維素(su)基水凝膠(jiao)拉伸率達(dá)(da)到１２０．０％。

為了(le)保證(zheng)纖維素(su)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(gou)和有效(xiao)溶脹，凝膠(jiao)過(guò)程(cheng)中，一般會(huì)加(jia)入化學(xué)(xue)交聯(lián)劑(ji)促進(jìn)(jin)三維網(wǎng)(wang)絡(luò)的共
價(jià)結(jié)合。目前(qian)報(bào)道多(duo)的化學(xué)(xue)交聯(lián)劑有環(huán)(huan)氧化物、烷(wan)基鹵(lu)化物和含(han)環(huán)氧鹵化(hua)基團(tuán)的化合(he)物等。鹵代烷與(yu)纖維素(su)反應(yīng)需要(yao)較強(qiáng)的堿性環(huán)(huan)境，因此實(shí)際操(cao)作中常用(yong)含環(huán)氧鹵(lu)化基(ji)團(tuán)的化合物 （如(ru)環(huán)氧氯丙烷(wan)）進(jìn)行化學(xué)(xue)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人以(yi)豆渣中(zhong)提取的纖維素(su)為原料，通過(guò)向(xiang)其中加入環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷 （ＥＣＨ）與(yu)無(wú)水葡萄糖(tang)單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了具有良(liang)好機(jī)(ji)械性(xing)能的纖維(wei)素水凝膠。通(tong)過(guò)改(gai)變水(shui)凝膠(jiao)的含水量(liang)，可調(diào)節(jié)機(jī)械(xie)性能，其(qi)大拉(la)伸率可達(dá)(da)107％?；瘜W(xué)交聯(lián)水凝(ning)膠也(ye)可以在(zai)交聯(lián)劑(ji)的存在(zai)下，通過(guò)(guo)單體自由(you)基聚合得到(dao)，自由基聚(ju)合具有(you)高反應(yīng)活性和(he)對(duì)水環(huán)境的要(yao)求相對(duì)溫和等(deng)優(yōu)勢(shì)(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過(guò)(guo)醚化(hua)改性在NaOH／尿素水(shui)溶液中(zhong)制備烯丙基(ji)纖維素(su)，再由熱引發(fā)自(zi)由基聚(ju)合得到纖維素(su)水凝膠 （ＣＩＨ），其(qi)具有高可拉伸(shen)性 （拉(la)伸率126％）。通過(guò)合理(li)調(diào)整化學(xué)交聯(lián)(lian)密度(du)，還可以控(kong)制水凝膠(jiao)的各項(xiàng)(xiang)性能。此(ci)外，該 ＣＩＨ 可以(yi)作為可靠(kao)和穩(wěn)(wen)定的應(yīng)變傳感(gan)器，并(bing)已成功用于(yu)監(jiān)測(cè)(ce)人類(lei)活動(dòng)(dong)。

雙交(jiao)聯(lián)水凝(ning)膠具(ju)有突出的(de)性能優(yōu)(you)勢(shì)，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用(yong)環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷加氫(qing)鍵交聯(lián)方法制(zhi)備了雙交聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素(su)水凝(ning)膠，如圖(tu)２所示。研究了 ＤＣ纖(xian)維素水凝膠(jiao)中化(hua)學(xué)交聯(lián)域和物(wu)理交(jiao)聯(lián)域的形成(cheng)和空間分(fen)布，發(fā)現(xiàn)環(huán)(huan)氧氯丙烷與葡(pu)萄糖單元的物(wu)質(zhì)的量的比和(he)乙醇水溶(rong)液的濃度(du)是調(diào)控 ＤＣ纖維(wei)素水凝膠(jiao)力學(xué)性能的兩(liang)個(gè)關(guān)鍵參(can)數(shù)。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)設(shè)計(jì)(ji)了一種綠色(se)路線來(lái)制備超(chao)堅(jiān)韌的再生纖(xian)維素薄膜，在堿(jian)／尿素水溶(rong)液體系中(zhong)溶解(jie)纖維(wei)素，向(xiang)其中直(zhi)接引(yin)入氫鍵，風(fēng)干(gan)后進(jìn)行結(jié)(jie)構(gòu)致密化(hua)處理，水凝(ning)膠的(de)強(qiáng)度得到了提(ti)高，但拉伸(shen)率僅達(dá)到12.4％。為了(le)得到超拉伸(shen)率的(de)純纖維素水(shui)凝膠，再(zai)引入化學(xué)交(jiao)聯(lián) （環(huán)氧氯(lv)丙烷）加氫鍵的(de)組合形式，使棉(mian)纖維素的拉(la)伸率由僅有氫(qing)鍵交聯(lián)時(shí)的(de)12.4％提升到了44.1％。通過(guò)(guo)長(zhǎng)短鏈和(he)內(nèi)外層結(jié)構(gòu)設(shè)(she)計(jì)，制備出雙網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)的水(shui)凝膠，外層短(duan)鏈增加(jia)損耗模量的同(tong)時(shí)，內(nèi)層長(zhǎng)鏈交(jiao)錯(cuò)纏繞，大幅(fu)度提(ti)高了(le)水 凝 膠(jiao) 的 ?大 拉 伸(shen) 率。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通(tong)過(guò)纖(xian)維素與低(di)分子量和高(gao)分子(zi)量交聯(lián)劑(ji)的序(xu)貫反應(yīng)，構(gòu)(gou)建了化學(xué)雙(shuang)交聯(lián)(lian)纖維(wei)素水凝膠 （ＤＣＨ），得到(dao)了相(xiang)對(duì)短鏈和長(zhǎng)(zhang)鏈的交聯(lián)(lian)網(wǎng)絡(luò)(luo)。他們提(ti)出了ＤＣＨ 的加固(gu)機(jī)理，短鏈(lian)交聯(lián)(lian)的斷(duan)裂有效地分(fen)散了機(jī)械能(neng)量，而長(zhǎng)鏈交聯(lián)(lian)維持了 ＤＣＨ 的彈性(xing)，因此(ci)，ＤＣＨ 的大拉(la)伸率達(dá)到(dao)94.5％，此短鏈和長(zhǎng)(zhang)鏈交聯(lián)的雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)(luo)對(duì)纖維素水(shui)凝膠力學(xué)性能(neng)的提高起到(dao)了重要作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在(zai)自由基聚(ju)合得到纖維(wei)素水凝膠的(de)基礎(chǔ)上，將水凝(ning)膠浸(jin)入飽和ＮａＣｌ溶液中(zhong)進(jìn)行物(wu)理交聯(lián)，制備物(wu)化雙交聯(lián)(lian)纖維素(su)水凝(ning)膠，其大拉(la)伸率(lv)達(dá)到了236％。值得(de)一提的是，該(gai)水凝膠(jiao)應(yīng)變傳感(gan)器在測(cè)(ce)量手臂和(he)手腕的彎(wan)曲等常規(guī)動(dòng)(dong)作時(shí)信號(hào)穩(wěn)定(ding)、效果良(liang)好，并(bing)在－２０℃時(shí)仍具(ju)有良好(hao)的拉伸性能，為(wei)柔性電(dian)子器(qi)件在大(da)范圍溫度(du)下的應(yīng)用(yong)提供了參考(kao)。截至(zhi)目前(qian)，已有很多(duo)關(guān)于物理(li)或化學(xué)策略用(yong)來(lái)構(gòu)建有(you)效能量耗散(san)機(jī)制(zhi)的纖維素基水(shui)凝膠的(de)研究。已報(bào)(bao)道的水凝膠(jiao)的各種交(jiao)聯(lián)策略(lve)及其拉伸(shen)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系(xi)如表１所(suo)示。

在交聯(lián)方法已(yi)經(jīng)確定的情況(kuang)下，還可以通過(guò)(guo)設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)(gou)來(lái)滿足(zu)在實(shí)際(ji)應(yīng)用時(shí)的超(chao)拉伸要求(qiu)。常
見(jiàn)的(de)可拉伸結(jié)構(gòu)有(you)：島橋、波浪／皺 紋(wen)、紡織(zhi)和剪紙。對(duì)(dui)于水凝(ning)膠，常(chang)采用波浪(lang)結(jié)構(gòu)來(lái)提升其(qi)在應(yīng)用(yong)時(shí)的拉(la)伸率。以纖維素(su)水凝膠為例(li)，在制(zhi)備器件(jian)之前，先(xian)把水(shui)凝膠進(jìn)行(xing)預(yù)拉伸，然后將(jiang)已被拉伸的水(shui)凝膠與其他器(qi)件進(jìn)行組(zu)合，隨后水凝膠(jiao)收縮為波浪結(jié)(jie)構(gòu)。在施加應(yīng)變(bian)的情況下(xia)，水凝膠可以(yi)產(chǎn)生及(ji)時(shí)充(chong)分的(de)形變且不(bu)被破壞，從而(er)使整個(gè)襯底(di)具備更強(qiáng)的拉(la)伸能(neng)力。

摘自：《電子皮膚(fu)用纖(xian)維素水凝膠(jiao)的研究進(jìn)展》 微(wei)納電(dian)子技術(shù)(shu)