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為了(le)提高水凝膠拉(la)伸性能(neng)就需要引入(ru)能量耗(hao)散機制(zhi)，傳統(tǒng)方法有(you)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)、構(gòu)建復(fù)合(he)材料(liao)和引入微凝(ning)膠增強效(xiao)應(yīng)（可視為兩相(xiang)復(fù)合凝(ning)膠）。但是在不引(yin)入其他(ta)合成高分子(zi)的情況(kuang)下，要提升纖(xian)維素水凝膠的(de)拉伸性能(neng)主要需從交(jiao)聯(lián)策略著手(shou)，設(shè)計(ji)出能(neng)量耗散(san)能力強的超(chao)拉伸網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目(mu)前對(dui)于水凝(ning)膠的交聯(lián)策(ce)略主要有三(san)種：物(wu)理交(jiao)聯(lián)、化學(xué)交(jiao)聯(lián)和雙交聯(lián)(lian)。常用(yong)的物理相互作(zuo)用除了氫(qing)鍵外，還有(you)疏水相互作用(yong)、離子(zi)相互作用和(he)主－客體相互作(zuo)用等。纖(xian)維素鏈上豐(feng)富的羥基與纖(xian)維素(su)的三(san)維立體構(gòu)象促(cu)使纖維素(su)水凝膠自帶(dai)氫鍵交聯(lián)和(he)鏈間交(jiao)錯纏結(jié)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等(deng)人誘導(dǎo)大(da)腸桿菌產(chǎn)生(sheng)大量的細(xì)(xi)菌纖(xian)維素(su)，通過(guo)氫鍵(jian)直接(jie)交聯(lián)(lian)制備(bei)水凝膠(jiao)。改性后的細(xì)(xi)菌纖維(wei)素水(shui)凝膠網(wǎng)(wang)絡(luò)致密但仍(reng)清晰(xi)，大拉伸率(lv)可達(dá)28.67％。另一方面(mian)，纖維素具(ju)有大量的(de)氫鍵結(jié)構(gòu)，這(zhe)在很大程度(du)上限制了室(shi)溫下它(ta)在水和有機介(jie)質(zhì)中的溶(rong)解度。隨著NaOH／尿(niao)素水體系、Ｎ-甲基(ji)嗎啉-Ｎ-氧化物(wu)水合物、離子液(ye)體等溶(rong)劑體系(xi)的開發(fā)(fa)，通過重建再(zai)生纖(xian)維素分子間和(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(nian)，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用(yong)高濃(nong)度的ZnCl2離子溶(rong)液溶(rong)解棉纖維素(su)，并將離子化合(he)物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到纖維(wei)素水凝膠網(wǎng)絡(luò)(luo)中，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維(wei)素配位鍵組成(cheng)的物理交聯(lián)水(shui)凝膠，如圖１所示(shi)。這種新型(xing)纖維素基水凝(ning)膠拉伸率達(dá)到(dao)１２０．０％。

為了保證(zheng)纖維素的(de)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和(he)有效溶脹，凝膠(jiao)過程(cheng)中，一般會加入(ru)化學(xué)交聯(lián)劑促(cu)進(jìn)三維網(wǎng)(wang)絡(luò)的共
價結(jié)合(he)。目前報(bao)道多的化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑有環(huán)氧(yang)化物、烷基鹵(lu)化物和含環(huán)(huan)氧鹵化(hua)基團的化合物(wu)等。鹵(lu)代烷與纖(xian)維素反應(yīng)(ying)需要(yao)較強的堿性(xing)環(huán)境，因此(ci)實際操作(zuo)中常用含環(huán)氧(yang)鹵化基團(tuan)的化合物 （如環(huán)(huan)氧氯(lv)丙烷）進(jìn)行化(hua)學(xué)交聯(lián)(lian)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人(ren)以豆渣中提(ti)取的纖維(wei)素為原料，通(tong)過向其中(zhong)加入環(huán)氧(yang)氯丙烷 （ＥＣＨ）與(yu)無水葡萄糖(tang)單元 （ＡＧＵ），制備了(le)具有良好機(ji)械性能的(de)纖維(wei)素水(shui)凝膠。通過(guo)改變(bian)水凝膠的(de)含水量，可(ke)調(diào)節(jié)機(ji)械性能(neng)，其大拉(la)伸率可達(dá)107％?；?hua)學(xué)交聯(lián)(lian)水凝膠也可以(yi)在交聯(lián)(lian)劑的存在下，通(tong)過單體自由基(ji)聚合(he)得到，自(zi)由基(ji)聚合具有(you)高反應(yīng)活性和(he)對水環(huán)境的(de)要求相對(dui)溫和(he)等優(yōu)(you)勢。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人(ren)通過醚化改性(xing)在NaOH／尿素水溶液(ye)中制備(bei)烯丙基纖維素(su)，再由熱引(yin)發(fā)自由基聚(ju)合得到纖維素(su)水凝膠 （ＣＩＨ），其具(ju)有高(gao)可拉伸性 （拉(la)伸率126％）。通(tong)過合理調(diào)整化(hua)學(xué)交聯(lián)密度，還(hai)可以控(kong)制水凝膠(jiao)的各項性能(neng)。此外，該 ＣＩＨ 可(ke)以作為可靠和(he)穩(wěn)定(ding)的應(yīng)變傳(chuan)感器，并已成功(gong)用于(yu)監(jiān)測人類活(huo)動。

雙交聯(lián)水凝膠(jiao)具有(you)突出的性(xing)能優(yōu)勢，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用環(huán)氧(yang)氯丙烷加氫鍵(jian)交聯(lián)方法制(zhi)備了雙交聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素水凝(ning)膠，如圖２所示(shi)。研究了 ＤＣ纖維素(su)水凝(ning)膠中化學(xué)(xue)交聯(lián)域和物(wu)理交聯(lián)域的形(xing)成和空間(jian)分布，發(fā)(fa)現(xiàn)環(huán)氧(yang)氯丙烷與(yu)葡萄糖單元的(de)物質(zhì)(zhi)的量(liang)的比和乙(yi)醇水溶液(ye)的濃度是調(diào)控(kong) ＤＣ纖維素(su)水凝膠力學(xué)性(xing)能的兩個關(guān)鍵(jian)參數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)設(shè)計(ji)了一(yi)種綠色(se)路線來制備(bei)超堅韌的(de)再生纖(xian)維素薄膜，在堿(jian)／尿素(su)水溶液體系中(zhong)溶解纖維(wei)素，向其中直(zhi)接引入氫鍵，風(fēng)(feng)干后進(jìn)行結(jié)構(gòu)(gou)致密化(hua)處理，水(shui)凝膠的(de)強度得到(dao)了提高，但拉伸(shen)率僅達(dá)(da)到12.4％。為(wei)了得到超(chao)拉伸率的純(chun)纖維(wei)素水(shui)凝膠，再引入化(hua)學(xué)交聯(lián) （環(huán)(huan)氧氯丙烷(wan)）加氫鍵的(de)組合(he)形式(shi)，使棉纖維素的(de)拉伸(shen)率由僅有氫鍵(jian)交聯(lián)時的12.4％提(ti)升到了44.1％。通(tong)過長(zhang)短鏈和內(nèi)外層(ceng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備(bei)出雙網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水(shui)凝膠，外層短(duan)鏈增加(jia)損耗模(mo)量的(de)同時，內(nèi)(nei)層長(zhang)鏈交錯纏繞(rao)，大幅度提高了(le)水 凝 膠 的(de) ?大 拉 伸 率。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過纖維(wei)素與低分(fen)子量(liang)和高分子(zi)量交聯(lián)劑(ji)的序貫(guan)反應(yīng)，構(gòu)建(jian)了化學(xué)雙(shuang)交聯(lián)纖(xian)維素水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了相對(dui)短鏈和長鏈的(de)交聯(lián)(lian)網(wǎng)絡(luò)。他們提出(chu)了ＤＣＨ 的加固(gu)機理，短(duan)鏈交聯(lián)的斷(duan)裂有效(xiao)地分散了機(ji)械能量，而(er)長鏈交聯(lián)(lian)維持(chi)了 ＤＣＨ 的彈性，因此(ci)，ＤＣＨ 的大(da)拉伸率(lv)達(dá)到94.5％，此(ci)短鏈和長鏈(lian)交聯(lián)(lian)的雙網(wǎng)(wang)絡(luò)對纖維(wei)素水凝膠(jiao)力學(xué)性能的(de)提高(gao)起到了重要作(zuo)用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人(ren)在自由基聚(ju)合得到纖(xian)維素水凝(ning)膠的基礎(chǔ)(chu)上，將水凝(ning)膠浸入飽和(he)ＮａＣｌ溶液中(zhong)進(jìn)行物理(li)交聯(lián)，制(zhi)備物(wu)化雙(shuang)交聯(lián)(lian)纖維素水凝(ning)膠，其大拉伸(shen)率達(dá)到(dao)了236％。值得一提的(de)是，該水凝膠應(yīng)(ying)變傳感器在測(ce)量手臂和手腕(wan)的彎(wan)曲等常規(guī)動(dong)作時信號穩(wěn)定(ding)、效果(guo)良好，并(bing)在－２０℃時仍具有(you)良好(hao)的拉伸性(xing)能，為柔性(xing)電子器件在(zai)大范圍(wei)溫度(du)下的應(yīng)用提供(gong)了參考(kao)。截至目前(qian)，已有(you)很多關(guān)(guan)于物理(li)或化學(xué)(xue)策略用(yong)來構(gòu)建有效能(neng)量耗散(san)機制的(de)纖維素基(ji)水凝(ning)膠的研究。已報(bao)道的水(shui)凝膠的各種交(jiao)聯(lián)策略及其拉(la)伸率的對(dui)應(yīng)關(guān)系如(ru)表１所示。

在交聯(lián)方(fang)法已經(jīng)(jing)確定的(de)情況下，還(hai)可以通(tong)過設(shè)計(ji)幾何結(jié)構(gòu)來滿(man)足在實際應(yīng)用(yong)時的超拉伸(shen)要求。常
見的可(ke)拉伸結(jié)構(gòu)(gou)有：島橋、波浪(lang)／皺 紋、紡織(zhi)和剪(jian)紙。對于水(shui)凝膠(jiao)，常采(cai)用波浪結(jié)構(gòu)(gou)來提升(sheng)其在應(yīng)用時(shi)的拉伸(shen)率。以纖(xian)維素水(shui)凝膠為(wei)例，在制備(bei)器件之前，先把(ba)水凝膠進(jìn)行(xing)預(yù)拉伸(shen)，然后將已被拉(la)伸的水凝(ning)膠與其他器件(jian)進(jìn)行組合，隨后(hou)水凝(ning)膠收(shou)縮為波浪(lang)結(jié)構(gòu)(gou)。在施加應(yīng)變的(de)情況下，水凝膠(jiao)可以產(chǎn)生(sheng)及時充分的形(xing)變且(qie)不被破壞(huai)，從而使整個襯(chen)底具備更(geng)強的拉伸能力(li)。

摘自：《電子皮(pi)膚用纖(xian)維素水凝膠的(de)研究進(jìn)展(zhan)》 微納電子技(ji)術(shù)