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為了提高(gao)水凝膠拉伸(shen)性能(neng)就需要引(yin)入能量耗散機(ji)制，傳(chuan)統(tǒng)方法有設(she)計網(wang)絡結構、構建(jian)復合(he)材料和(he)引入(ru)微凝膠增強(qiang)效應(ying)（可視為兩相復(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)維素水(shui)凝膠的拉(la)伸性能主要(yao)需從交(jiao)聯策略(lve)著手，設計出能(neng)量耗散能力(li)強的超(chao)拉伸(shen)網絡(luo)結構。目前對(dui)于水凝膠的(de)交聯策略主要(yao)有三(san)種：物理交聯(lian)、化學交聯和雙(shuang)交聯。常用的(de)物理相互作(zuo)用除(chu)了氫鍵(jian)外，還(hai)有疏水相互(hu)作用、離子相(xiang)互作用和主－客(ke)體相互作用(yong)等。纖維素鏈上(shang)豐富(fu)的羥基(ji)與纖(xian)維素的三維立(li)體構象促(cu)使纖維素水凝(ning)膠自帶氫(qing)鍵交聯(lian)和鏈間交(jiao)錯纏結。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等(deng)人誘導大腸桿(gan)菌產生大(da)量的細菌(jun)纖維素，通過(guo)氫鍵(jian)直接交聯(lian)制備水凝(ning)膠。改(gai)性后的細(xi)菌纖維素(su)水凝膠網(wang)絡致密(mi)但仍清(qing)晰，大拉伸率(lv)可達28.67％。另一方(fang)面，纖(xian)維素具有大(da)量的氫鍵(jian)結構，這在很大(da)程度上限(xian)制了室溫(wen)下它在水和有(you)機介質(zhi)中的(de)溶解(jie)度。隨(sui)著NaOH／尿素水體(ti)系、Ｎ-甲(jia)基嗎啉-Ｎ-氧(yang)化物水(shui)合物、離子液體(ti)等溶劑體(ti)系的(de)開發(fā)(fa)，通過重(zhong)建再生纖維素(su)分子間和(he)分子內的(de)氫鍵(jian)，可以制(zhi)備再(zai)生纖維(wei)素水(shui)凝膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等(deng)人用(yong)高濃(nong)度的ZnCl2離子溶液(ye)溶解棉(mian)纖維(wei)素，并將離子(zi)化合物(wu)（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到纖維(wei)素水凝膠網絡(luo)中，得到(dao)Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素配位鍵(jian)組成的物理交(jiao)聯水凝膠，如圖(tu)１所示。這種(zhong)新型纖(xian)維素基水(shui)凝膠(jiao)拉伸率達到(dao)１２０．０％。

為了保證(zheng)纖維(wei)素的穩(wěn)定(ding)結構和有效溶(rong)脹，凝膠(jiao)過程中，一般(ban)會加入(ru)化學交聯劑促(cu)進三維網(wang)絡的共
價結合(he)。目前報道多的(de)化學(xue)交聯劑有環(huán)(huan)氧化(hua)物、烷基鹵(lu)化物和(he)含環(huán)氧(yang)鹵化基團(tuan)的化合物(wu)等。鹵代烷與(yu)纖維素反應需(xu)要較強的堿性(xing)環(huán)境(jing)，因此實際操作(zuo)中常用(yong)含環(huán)氧鹵(lu)化基團的化合(he)物 （如環(huán)氧氯丙(bing)烷）進(jin)行化(hua)學交聯。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等(deng)人以豆渣(zha)中提取的(de)纖維素為原料(liao)，通過向(xiang)其中加入環(huán)(huan)氧氯丙烷(wan) （ＥＣＨ）與無水葡(pu)萄糖單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了具(ju)有良好機械性(xing)能的纖維素水(shui)凝膠。通(tong)過改變水凝(ning)膠的(de)含水量，可調節(jié)(jie)機械性(xing)能，其(qi)大拉伸率可(ke)達107％?；?hua)學交聯(lian)水凝膠也(ye)可以在交(jiao)聯劑的(de)存在下，通(tong)過單體(ti)自由基聚合(he)得到，自由基聚(ju)合具有(you)高反應活性(xing)和對水(shui)環(huán)境的(de)要求相(xiang)對溫和等優(yōu)勢(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過醚化(hua)改性在(zai)NaOH／尿素水溶液(ye)中制(zhi)備烯(xi)丙基纖維素(su)，再由(you)熱引(yin)發(fā)自由基(ji)聚合得到(dao)纖維(wei)素水凝膠(jiao) （ＣＩＨ），其具(ju)有高可拉(la)伸性(xing) （拉伸率126％）。通(tong)過合(he)理調整化(hua)學交聯密(mi)度，還可以(yi)控制水凝膠(jiao)的各(ge)項性能。此外，該(gai) ＣＩＨ 可以作為可靠(kao)和穩(wěn)(wen)定的應(ying)變傳感器，并已(yi)成功用于(yu)監(jiān)測人類(lei)活動。

雙交聯水凝膠(jiao)具有突(tu)出的性(xing)能優(yōu)勢，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等(deng)人利用環(huán)(huan)氧氯丙烷加氫(qing)鍵交聯方法(fa)制備了雙(shuang)交聯(lian) （ＤＣ）纖維素水凝(ning)膠，如圖２所(suo)示。研究了 ＤＣ纖(xian)維素水(shui)凝膠(jiao)中化學(xue)交聯域(yu)和物理交(jiao)聯域的形(xing)成和空間分(fen)布，發(fā)現環(huán)(huan)氧氯丙烷與葡(pu)萄糖單元的(de)物質的量的比(bi)和乙(yi)醇水溶液(ye)的濃度是調(diao)控 ＤＣ纖維素水(shui)凝膠力學(xue)性能(neng)的兩(liang)個關鍵參數。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)設計了一(yi)種綠色路(lu)線來(lai)制備(bei)超堅韌的再(zai)生纖維素(su)薄膜，在堿(jian)／尿素水溶(rong)液體系(xi)中溶解(jie)纖維素(su)，向其(qi)中直接引(yin)入氫鍵，風(feng)干后進行結構(gou)致密(mi)化處(chu)理，水凝膠的(de)強度得到了(le)提高(gao)，但拉伸率僅(jin)達到12.4％。為了(le)得到超拉伸(shen)率的純纖維素(su)水凝(ning)膠，再引(yin)入化學交聯(lian) （環(huán)氧氯丙(bing)烷）加氫鍵的組(zu)合形式(shi)，使棉(mian)纖維素的(de)拉伸(shen)率由僅有(you)氫鍵交聯(lian)時的12.4％提升到(dao)了44.1％。通過長(zhang)短鏈和內外層(ceng)結構設(she)計，制備出雙(shuang)網絡結構的水(shui)凝膠，外層(ceng)短鏈增加損(sun)耗模量的同時(shi)，內層長鏈交錯(cuo)纏繞，大幅(fu)度提高了水 凝(ning) 膠 的 ?大 拉 伸 率(lv)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過纖(xian)維素與低分子(zi)量和(he)高分子(zi)量交聯劑的序(xu)貫反應，構建了(le)化學雙交(jiao)聯纖維素(su)水凝膠 （ＤＣＨ），得到(dao)了相(xiang)對短鏈和長(zhang)鏈的交聯網(wang)絡。他們提(ti)出了ＤＣＨ 的加固機(ji)理，短(duan)鏈交聯(lian)的斷裂有效地(di)分散了(le)機械能(neng)量，而長(zhang)鏈交聯(lian)維持了(le) ＤＣＨ 的彈(dan)性，因此(ci)，ＤＣＨ 的大拉伸(shen)率達(da)到94.5％，此短鏈(lian)和長鏈(lian)交聯(lian)的雙網(wang)絡對纖維(wei)素水凝膠力學(xue)性能的提高起(qi)到了重要作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在(zai)自由基聚(ju)合得到纖維素(su)水凝膠的(de)基礎上，將水(shui)凝膠(jiao)浸入飽和(he)ＮａＣｌ溶液中進行(xing)物理(li)交聯，制備物(wu)化雙交聯(lian)纖維(wei)素水凝膠，其(qi)大拉伸率(lv)達到(dao)了236％。值得一提的(de)是，該水凝膠(jiao)應變傳(chuan)感器在測(ce)量手臂和(he)手腕的彎(wan)曲等(deng)常規(guī)動(dong)作時信號穩(wěn)(wen)定、效果良(liang)好，并在－２０℃時(shi)仍具有良(liang)好的拉(la)伸性能，為柔性(xing)電子器件(jian)在大范圍溫(wen)度下的應用提(ti)供了參考。截至(zhi)目前，已有很(hen)多關(guan)于物理或化學(xue)策略(lve)用來構(gou)建有效(xiao)能量(liang)耗散機(ji)制的纖維(wei)素基水凝膠的(de)研究。已報道(dao)的水(shui)凝膠的(de)各種交(jiao)聯策略及其(qi)拉伸率的對(dui)應關系如表１所(suo)示。

在交聯方(fang)法已經確定(ding)的情況下，還(hai)可以通過(guo)設計(ji)幾何結構來滿(man)足在實際應用(yong)時的超(chao)拉伸要求。常(chang)
見的可拉(la)伸結構有：島(dao)橋、波(bo)浪／皺 紋(wen)、紡織和剪(jian)紙。對于(yu)水凝膠(jiao)，常采用波(bo)浪結構來(lai)提升其在(zai)應用時(shi)的拉伸率。以(yi)纖維素水(shui)凝膠(jiao)為例，在制備(bei)器件(jian)之前，先(xian)把水凝(ning)膠進行預拉伸(shen)，然后將(jiang)已被拉伸的(de)水凝膠與(yu)其他(ta)器件進(jin)行組合，隨后(hou)水凝(ning)膠收縮為波(bo)浪結構。在施加(jia)應變的情況(kuang)下，水凝膠可以(yi)產生及(ji)時充分(fen)的形變且不(bu)被破壞(huai)，從而(er)使整個襯底(di)具備更強的(de)拉伸能力(li)。

摘自：《電子皮(pi)膚用(yong)纖維素水凝(ning)膠的(de)研究進展》 微納(na)電子(zi)技術