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為了提(ti)高水凝(ning)膠拉(la)伸性能就需(xu)要引入能(neng)量耗散機(jī)制，傳(chuan)統(tǒng)方法有設(shè)計(jì)(ji)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)(gou)建復(fù)合材(cai)料和引入微(wei)凝膠增強(qiáng)(qiang)效應(yīng)（可視(shi)為兩相復(fù)(fu)合凝膠）。但(dan)是在(zai)不引入其他合(he)成高分子的(de)情況下，要提升(sheng)纖維(wei)素水凝膠的拉(la)伸性能(neng)主要需從(cong)交聯(lián)策(ce)略著手，設(shè)計(jì)(ji)出能量(liang)耗散能力強(qiáng)的(de)超拉伸網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)。目(mu)前對(duì)(dui)于水(shui)凝膠的交(jiao)聯(lián)策(ce)略主要有(you)三種：物理交(jiao)聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)和(he)雙交聯(lián)。常用的(de)物理相互作用(yong)除了氫鍵外，還(hai)有疏水相互(hu)作用(yong)、離子相互作(zuo)用和主－客體(ti)相互作用(yong)等。纖維素鏈上(shang)豐富的羥基(ji)與纖維素的(de)三維立體構(gòu)象(xiang)促使(shi)纖維素水凝膠(jiao)自帶氫鍵(jian)交聯(lián)和鏈(lian)間交(jiao)錯(cuò)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導(dǎo)大(da)腸桿(gan)菌產(chǎn)(chan)生大量的細(xì)(xi)菌纖維素(su)，通過氫(qing)鍵直接(jie)交聯(lián)制備水(shui)凝膠。改(gai)性后的細(xì)(xi)菌纖維(wei)素水凝膠網(wǎng)絡(luò)(luo)致密但(dan)仍清晰，大拉伸(shen)率可達(dá)28.67％。另一(yi)方面，纖維素(su)具有大量的(de)氫鍵結(jié)構(gòu)(gou)，這在很大程(cheng)度上限制了(le)室溫下它在水(shui)和有機(jī)介質(zhì)中(zhong)的溶(rong)解度(du)。隨著NaOH／尿素水體(ti)系、Ｎ-甲基嗎啉-Ｎ-氧(yang)化物水(shui)合物、離子(zi)液體等溶劑體(ti)系的開發(fā)，通過(guo)重建再生纖維(wei)素分(fen)子間和分(fen)子內(nèi)(nei)的氫鍵(jian)，可以(yi)制備再生纖維(wei)素水凝(ning)膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用高(gao)濃度的ZnCl2離(li)子溶液溶解棉(mian)纖維(wei)素，并(bing)將離子化合(he)物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整(zheng)合到纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luò)中(zhong)，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配位(wei)鍵組成(cheng)的物理交(jiao)聯(lián)水凝膠，如(ru)圖１所示(shi)。這種新型(xing)纖維素(su)基水凝膠拉伸(shen)率達(dá)到１２０．０％。

為了保證纖(xian)維素(su)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(gou)和有(you)效溶脹，凝膠(jiao)過程中，一般會(huì)(hui)加入化(hua)學(xué)交聯(lián)劑促(cu)進(jìn)三維(wei)網(wǎng)絡(luò)的共
價(jià)結(jié)合。目前(qian)報(bào)道(dao)多的化學(xué)交聯(lián)(lian)劑有環(huán)(huan)氧化(hua)物、烷基鹵(lu)化物和含環(huán)(huan)氧鹵化(hua)基團(tuán)的化(hua)合物等。鹵代烷(wan)與纖維素(su)反應(yīng)需要較強(qiáng)(qiang)的堿(jian)性環(huán)境，因此(ci)實(shí)際操(cao)作中常用(yong)含環(huán)氧(yang)鹵化(hua)基團(tuán)的化合物(wu) （如環(huán)氧(yang)氯丙烷）進(jìn)行化(hua)學(xué)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等(deng)人以豆渣(zha)中提取(qu)的纖維素為原(yuan)料，通過(guo)向其(qi)中加入(ru)環(huán)氧氯(lv)丙烷 （ＥＣＨ）與無水(shui)葡萄糖單(dan)元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了具有(you)良好機(jī)(ji)械性能的纖維(wei)素水凝膠。通過(guo)改變水凝膠(jiao)的含水量，可(ke)調(diào)節(jié)(jie)機(jī)械性能(neng)，其大拉伸率可(ke)達(dá)107％?；?hua)學(xué)交聯(lián)水(shui)凝膠也可(ke)以在交聯(lián)劑的(de)存在下，通過(guo)單體自(zi)由基聚合(he)得到，自(zi)由基聚合具有(you)高反應(yīng)(ying)活性(xing)和對(duì)水環(huán)(huan)境的要(yao)求相對(duì)(dui)溫和(he)等優(yōu)勢(shì)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人(ren)通過(guo)醚化(hua)改性在NaOH／尿素水(shui)溶液中制備(bei)烯丙基纖維(wei)素，再由熱(re)引發(fā)自(zi)由基聚合(he)得到纖維素(su)水凝膠 （ＣＩＨ），其具有(you)高可拉伸性(xing) （拉伸(shen)率126％）。通過(guo)合理調(diào)整化(hua)學(xué)交聯(lián)密(mi)度，還(hai)可以控(kong)制水凝膠(jiao)的各項(xiàng)性能。此(ci)外，該 ＣＩＨ 可(ke)以作(zuo)為可靠和(he)穩(wěn)定的應(yīng)變傳(chuan)感器，并已(yi)成功用(yong)于監(jiān)測(cè)人類(lei)活動(dòng)(dong)。

雙交聯(lián)水凝(ning)膠具有(you)突出的性(xing)能優(yōu)勢(shì)(shi)，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利(li)用環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷加氫鍵(jian)交聯(lián)(lian)方法(fa)制備(bei)了雙交聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素水凝膠(jiao)，如圖２所(suo)示。研究了 ＤＣ纖(xian)維素水(shui)凝膠中化學(xué)交(jiao)聯(lián)域和(he)物理(li)交聯(lián)域(yu)的形成和空間(jian)分布，發(fā)現(xiàn)(xian)環(huán)氧氯(lv)丙烷與葡萄(tao)糖單元的(de)物質(zhì)(zhi)的量(liang)的比和乙醇水(shui)溶液的(de)濃度是調(diào)(diao)控 ＤＣ纖維素水凝(ning)膠力(li)學(xué)性能的(de)兩個(gè)關(guān)鍵(jian)參數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人設(shè)計(jì)了(le)一種綠(lv)色路線來制備(bei)超堅(jiān)韌的再(zai)生纖(xian)維素(su)薄膜(mo)，在堿／尿(niao)素水溶液(ye)體系中(zhong)溶解纖維(wei)素，向其中直接(jie)引入氫(qing)鍵，風(fēng)(feng)干后進(jìn)行(xing)結(jié)構(gòu)致密化(hua)處理(li)，水凝膠的強(qiáng)(qiang)度得(de)到了(le)提高，但拉伸率(lv)僅達(dá)到12.4％。為了得(de)到超(chao)拉伸率的純(chun)纖維素水凝膠(jiao)，再引入化(hua)學(xué)交聯(lián) （環(huán)氧氯(lv)丙烷(wan)）加氫(qing)鍵的組合(he)形式，使棉纖(xian)維素的拉伸率(lv)由僅(jin)有氫鍵交(jiao)聯(lián)時(shí)(shi)的12.4％提升(sheng)到了44.1％。通(tong)過長(zhǎng)短鏈和(he)內(nèi)外層(ceng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制(zhi)備出(chu)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(gou)的水凝(ning)膠，外層短鏈增(zeng)加損耗模量(liang)的同時(shí)，內(nèi)層(ceng)長(zhǎng)鏈交錯(cuò)纏(chan)繞，大(da)幅度提(ti)高了水 凝 膠 的(de) ?大 拉 伸 率。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過纖(xian)維素(su)與低分子量(liang)和高分子(zi)量交聯(lián)劑的(de)序貫反應(yīng)，構(gòu)建(jian)了化學(xué)雙(shuang)交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了相(xiang)對(duì)短鏈和長(zhǎng)(zhang)鏈的交聯(lián)網(wǎng)(wang)絡(luò)。他(ta)們提出(chu)了ＤＣＨ 的加(jia)固機(jī)理，短鏈(lian)交聯(lián)的斷裂有(you)效地(di)分散了機(jī)械(xie)能量，而長(zhǎng)鏈交(jiao)聯(lián)維持(chi)了 ＤＣＨ 的彈性，因此(ci)，ＤＣＨ 的大拉伸(shen)率達(dá)到(dao)94.5％，此短鏈和(he)長(zhǎng)鏈交聯(lián)的雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)(luo)對(duì)纖維素水(shui)凝膠力學(xué)(xue)性能(neng)的提(ti)高起到了重要(yao)作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等(deng)人在自由基聚(ju)合得到纖(xian)維素水凝膠(jiao)的基礎(chǔ)上(shang)，將水凝膠浸入(ru)飽和ＮａＣｌ溶(rong)液中(zhong)進(jìn)行物理(li)交聯(lián)，制備物化(hua)雙交(jiao)聯(lián)纖維素水凝(ning)膠，其(qi)大拉伸(shen)率達(dá)到了236％。值(zhi)得一提(ti)的是，該水凝(ning)膠應(yīng)變傳感器(qi)在測(cè)量手(shou)臂和手腕的(de)彎曲等(deng)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)有良好的拉伸(shen)性能，為柔性(xing)電子器(qi)件在大范圍(wei)溫度下的應(yīng)(ying)用提供了參考(kao)。截至目前，已有(you)很多關(guān)于物(wu)理或化學(xué)(xue)策略用來構(gòu)(gou)建有效能(neng)量耗散機(jī)(ji)制的纖維素(su)基水凝膠的研(yan)究。已報(bào)道的(de)水凝膠(jiao)的各種(zhong)交聯(lián)策略及(ji)其拉伸率的(de)對(duì)應(yīng)關(guān)系(xi)如表(biao)１所示。

在交聯(lián)(lian)方法(fa)已經(jīng)(jing)確定的情(qing)況下，還可以(yi)通過設(shè)計(jì)(ji)幾何結(jié)構(gòu)來(lai)滿足在實(shí)際(ji)應(yīng)用時(shí)的超(chao)拉伸要求(qiu)。常
見的可(ke)拉伸結(jié)構(gòu)有：島(dao)橋、波浪／皺 紋(wen)、紡織(zhi)和剪紙。對(duì)于(yu)水凝膠，常采用(yong)波浪結(jié)構(gòu)來提(ti)升其(qi)在應(yīng)用時(shí)的(de)拉伸(shen)率。以纖維素水(shui)凝膠為(wei)例，在制備器(qi)件之前，先把水(shui)凝膠進(jìn)(jin)行預(yù)拉(la)伸，然(ran)后將已被拉(la)伸的水凝膠與(yu)其他(ta)器件進(jìn)行(xing)組合，隨(sui)后水凝膠(jiao)收縮為波(bo)浪結(jié)構(gòu)。在施加(jia)應(yīng)變(bian)的情況下(xia)，水凝(ning)膠可以產(chǎn)生(sheng)及時(shí)充分的(de)形變且不被(bei)破壞(huai)，從而使整個(gè)襯(chen)底具備(bei)更強(qiáng)的(de)拉伸(shen)能力(li)。

摘自：《電(dian)子皮膚用(yong)纖維(wei)素水凝膠(jiao)的研究(jiu)進(jìn)展》 微(wei)納電子技(ji)術(shù)