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為了提高水(shui)凝膠拉(la)伸性能就需要(yao)引入(ru)能量耗(hao)散機(jī)(ji)制，傳統(tǒng)方(fang)法有設(shè)(she)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)(gou)建復(fù)合(he)材料和引入(ru)微凝膠增(zeng)強(qiáng)效應(yīng)（可(ke)視為兩(liang)相復(fù)合凝膠）。但(dan)是在(zai)不引入其(qi)他合成高分(fen)子的情況下，要(yao)提升纖(xian)維素(su)水凝膠的(de)拉伸(shen)性能主(zhu)要需從交(jiao)聯(lián)策略著手，設(shè)(she)計(jì)出能量(liang)耗散能(neng)力強(qiáng)的超拉伸(shen)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目(mu)前對(duì)于水凝(ning)膠的交聯(lián)策(ce)略主要有(you)三種(zhong)：物理交聯(lián)、化(hua)學(xué)交(jiao)聯(lián)和雙交聯(lián)。常(chang)用的(de)物理相互(hu)作用除了氫鍵(jian)外，還有疏水相(xiang)互作(zuo)用、離子(zi)相互作用和主(zhu)－客體相互(hu)作用等。纖維素(su)鏈上(shang)豐富(fu)的羥(qiang)基與纖維素的(de)三維(wei)立體構(gòu)象促(cu)使纖維素水(shui)凝膠(jiao)自帶氫鍵(jian)交聯(lián)和鏈間交(jiao)錯(cuò)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導(dǎo)(dao)大腸桿(gan)菌產(chǎn)生大(da)量的細(xì)菌纖(xian)維素，通過(guo)氫鍵直接交(jiao)聯(lián)制備水凝(ning)膠。改性后的(de)細(xì)菌(jun)纖維素水凝(ning)膠網(wǎng)(wang)絡(luò)致密但仍(reng)清晰，大拉伸(shen)率可達(dá)28.67％。另(ling)一方(fang)面，纖維素(su)具有(you)大量(liang)的氫鍵結(jié)(jie)構(gòu)，這在很(hen)大程(cheng)度上限制了室(shi)溫下它在(zai)水和有(you)機(jī)介質(zhì)(zhi)中的溶(rong)解度。隨著NaOH／尿(niao)素水(shui)體系、Ｎ-甲基嗎啉(lin)-Ｎ-氧化(hua)物水合物(wu)、離子液體等溶(rong)劑體系的開發(fā)(fa)，通過重建再(zai)生纖維(wei)素分子間和分(fen)子內(nèi)的氫鍵(jian)，可以制備(bei)再生纖維素水(shui)凝膠(jiao)。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用高濃(nong)度的(de)ZnCl2離子溶液溶(rong)解棉纖維素，并(bing)將離子化合(he)物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維素水(shui)凝膠(jiao)網(wǎng)絡(luò)(luo)中，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素(su)配位(wei)鍵組成的物理(li)交聯(lián)水(shui)凝膠，如圖１所(suo)示。這種新型纖(xian)維素基水(shui)凝膠(jiao)拉伸率(lv)達(dá)到１２０．０％。

為了保證纖(xian)維素的(de)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和有(you)效溶(rong)脹，凝膠過(guo)程中，一(yi)般會(huì)加(jia)入化學(xué)(xue)交聯(lián)劑(ji)促進(jìn)三(san)維網(wǎng)絡(luò)(luo)的共
價(jià)結(jié)合。目前(qian)報(bào)道(dao)多的(de)化學(xué)(xue)交聯(lián)劑有(you)環(huán)氧化物、烷基(ji)鹵化物(wu)和含(han)環(huán)氧鹵化基(ji)團(tuán)的化(hua)合物等(deng)。鹵代烷與纖(xian)維素反(fan)應(yīng)需要(yao)較強(qiáng)的(de)堿性環(huán)(huan)境，因此實(shí)際操(cao)作中常用含(han)環(huán)氧鹵化(hua)基團(tuán)的化合物(wu) （如環(huán)氧氯(lv)丙烷）進(jìn)(jin)行化學(xué)(xue)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人(ren)以豆渣中提(ti)取的纖維素為(wei)原料，通過向其(qi)中加入環(huán)氧氯(lv)丙烷 （ＥＣＨ）與無水葡(pu)萄糖單元(yuan) （ＡＧＵ），制備了具有良(liang)好機(jī)械性(xing)能的纖維(wei)素水凝膠。通(tong)過改變(bian)水凝膠的(de)含水(shui)量，可調(diào)(diao)節(jié)機(jī)械性(xing)能，其大拉(la)伸率可達(dá)(da)107％。化學(xué)交聯(lián)水凝(ning)膠也可以在(zai)交聯(lián)劑的存在(zai)下，通(tong)過單(dan)體自由基(ji)聚合得到，自(zi)由基聚合具有(you)高反(fan)應(yīng)活性和對(duì)(dui)水環(huán)境(jing)的要求(qiu)相對(duì)溫(wen)和等優(yōu)勢(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過(guo)醚化(hua)改性在NaOH／尿素水(shui)溶液中制備烯(xi)丙基纖(xian)維素(su)，再由熱引發(fā)自(zi)由基聚(ju)合得(de)到纖維(wei)素水(shui)凝膠 （ＣＩＨ），其具有(you)高可(ke)拉伸性(xing) （拉伸(shen)率126％）。通過合理(li)調(diào)整化學(xué)交聯(lián)(lian)密度(du)，還可(ke)以控(kong)制水凝膠的(de)各項(xiàng)性能。此(ci)外，該 ＣＩＨ 可以作為(wei)可靠和(he)穩(wěn)定的應(yīng)(ying)變傳感器(qi)，并已成功用于(yu)監(jiān)測人類活(huo)動(dòng)。

雙交聯(lián)水凝(ning)膠具有突(tu)出的性能(neng)優(yōu)勢，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用環(huán)氧氯(lv)丙烷加氫鍵交(jiao)聯(lián)方法(fa)制備了雙(shuang)交聯(lián)(lian) （ＤＣ）纖維素水凝(ning)膠，如圖(tu)２所示。研究了(le) ＤＣ纖維(wei)素水凝(ning)膠中化學(xué)(xue)交聯(lián)域和物(wu)理交聯(lián)(lian)域的(de)形成(cheng)和空間分布，發(fā)(fa)現(xiàn)環(huán)氧氯(lv)丙烷與葡萄(tao)糖單元的物質(zhì)(zhi)的量的比和乙(yi)醇水(shui)溶液(ye)的濃度是調(diào)控(kong) ＤＣ纖維素水(shui)凝膠力學(xué)性能(neng)的兩個(gè)關(guān)鍵參(can)數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(shè)計(jì)(ji)了一種綠色(se)路線來制備(bei)超堅(jiān)韌(ren)的再生纖維素(su)薄膜(mo)，在堿／尿(niao)素水溶液(ye)體系中溶解(jie)纖維素(su)，向其中直接引(yin)入氫鍵，風(fēng)干后(hou)進(jìn)行結(jié)構(gòu)(gou)致密化處理(li)，水凝膠的強(qiáng)度(du)得到(dao)了提(ti)高，但拉伸(shen)率僅達(dá)到(dao)12.4％。為了(le)得到超(chao)拉伸率(lv)的純纖維素(su)水凝膠(jiao)，再引入化(hua)學(xué)交聯(lián) （環(huán)氧(yang)氯丙烷(wan)）加氫鍵的組(zu)合形(xing)式，使棉纖(xian)維素的拉伸(shen)率由(you)僅有氫鍵交(jiao)聯(lián)時(shí)的(de)12.4％提升到了44.1％。通(tong)過長短(duan)鏈和內(nèi)外層結(jié)(jie)構(gòu)設(shè)計(jì)，制(zhi)備出雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(gou)的水凝(ning)膠，外層(ceng)短鏈增加損耗(hao)模量的同(tong)時(shí)，內(nèi)層(ceng)長鏈(lian)交錯(cuò)(cuo)纏繞，大幅(fu)度提高了水(shui) 凝 膠 的 ?大 拉(la) 伸 率(lv)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人通過纖維(wei)素與(yu)低分子量(liang)和高(gao)分子量交(jiao)聯(lián)劑的序貫(guan)反應(yīng)，構(gòu)(gou)建了化學(xué)雙交(jiao)聯(lián)纖維素水凝(ning)膠 （ＤＣＨ），得(de)到了(le)相對(duì)短鏈(lian)和長鏈的交聯(lián)(lian)網(wǎng)絡(luò)。他們提出(chu)了ＤＣＨ 的加固機(jī)(ji)理，短鏈(lian)交聯(lián)的斷裂有(you)效地分(fen)散了機(jī)械(xie)能量，而長(zhang)鏈交聯(lián)維持(chi)了 ＤＣＨ 的彈(dan)性，因此(ci)，ＤＣＨ 的大拉伸率(lv)達(dá)到94.5％，此短鏈和(he)長鏈交聯(lián)的(de)雙網(wǎng)(wang)絡(luò)對(duì)纖維素(su)水凝膠(jiao)力學(xué)性能的(de)提高(gao)起到了(le)重要作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人(ren)在自由基聚合(he)得到纖(xian)維素水凝膠的(de)基礎(chǔ)上，將水凝(ning)膠浸入飽和(he)ＮａＣｌ溶液(ye)中進(jìn)行物理(li)交聯(lián)，制備(bei)物化(hua)雙交聯(lián)纖維素(su)水凝膠，其大拉(la)伸率達(dá)到了236％。值(zhi)得一提的(de)是，該水凝(ning)膠應(yīng)變傳(chuan)感器在(zai)測量手臂和手(shou)腕的彎(wan)曲等常規(guī)動(dòng)(dong)作時(shí)信(xin)號(hào)穩(wěn)定、效果(guo)良好，并在－２０℃時(shí)仍(reng)具有良(liang)好的拉伸(shen)性能，為柔性(xing)電子器件在大(da)范圍溫度下(xia)的應(yīng)用提供(gong)了參考。截(jie)至目前，已有(you)很多關(guān)于物(wu)理或化(hua)學(xué)策略用(yong)來構(gòu)建有效(xiao)能量耗散機(jī)(ji)制的纖維素(su)基水凝膠的研(yan)究。已報(bào)道的水(shui)凝膠的各種(zhong)交聯(lián)策略(lve)及其拉伸率的(de)對(duì)應(yīng)(ying)關(guān)系(xi)如表１所示。

在交(jiao)聯(lián)方法已經(jīng)確(que)定的情況(kuang)下，還可以(yi)通過設(shè)計(jì)幾何(he)結(jié)構(gòu)來滿足在(zai)實(shí)際應(yīng)(ying)用時(shí)(shi)的超拉(la)伸要求。常
見的可(ke)拉伸結(jié)構(gòu)有：島(dao)橋、波浪／皺 紋、紡(fang)織和剪紙。對(duì)于(yu)水凝膠，常(chang)采用波浪結(jié)構(gòu)(gou)來提(ti)升其(qi)在應(yīng)用時(shí)的拉(la)伸率。以(yi)纖維素水(shui)凝膠為(wei)例，在制(zhi)備器件之前(qian)，先把水(shui)凝膠進(jìn)行(xing)預(yù)拉伸，然后將(jiang)已被拉伸的水(shui)凝膠(jiao)與其他(ta)器件(jian)進(jìn)行組合，隨后(hou)水凝膠收縮為(wei)波浪結(jié)構(gòu)。在施(shi)加應(yīng)(ying)變的情(qing)況下，水凝(ning)膠可(ke)以產(chǎn)生(sheng)及時(shí)充(chong)分的(de)形變(bian)且不被破壞(huai)，從而使整個(gè)襯(chen)底具(ju)備更強(qiáng)的拉伸(shen)能力。

摘自：《電(dian)子皮(pi)膚用纖維素水(shui)凝膠(jiao)的研究進(jìn)(jin)展》 微納(na)電子(zi)技術(shù)