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為了(le)提高(gao)水凝膠拉伸性(xing)能就需要引入(ru)能量耗(hao)散機(ji)制，傳(chuan)統(tǒng)方法有設計(ji)網(wǎng)絡結構(gou)、構建復合(he)材料和(he)引入微凝膠增(zeng)強效應(ying)（可視為兩相(xiang)復合凝膠）。但(dan)是在不引入(ru)其他合成高分(fen)子的情況(kuang)下，要(yao)提升纖維(wei)素水凝膠的(de)拉伸性能主要(yao)需從交聯(lián)策略(lve)著手，設計出(chu)能量耗散(san)能力(li)強的超拉(la)伸網(wǎng)絡結構(gou)。目前對(dui)于水凝膠的(de)交聯(lián)策略主(zhu)要有三種(zhong)：物理交聯(lián)(lian)、化學交聯(lián)和雙(shuang)交聯(lián)。常(chang)用的物理相(xiang)互作用除(chu)了氫鍵外(wai)，還有疏(shu)水相互(hu)作用、離子相(xiang)互作(zuo)用和主－客體相(xiang)互作用(yong)等。纖維素鏈(lian)上豐富的羥基(ji)與纖維素的三(san)維立(li)體構象促使纖(xian)維素水凝(ning)膠自(zi)帶氫鍵交(jiao)聯(lián)和鏈間(jian)交錯纏結(jie)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導大(da)腸桿菌產生(sheng)大量的細菌(jun)纖維素(su)，通過氫鍵(jian)直接(jie)交聯(lián)(lian)制備水凝(ning)膠。改性(xing)后的細菌纖(xian)維素(su)水凝膠網(wǎng)(wang)絡致密但仍清(qing)晰，大拉(la)伸率可(ke)達28.67％。另(ling)一方(fang)面，纖維素具有(you)大量的氫(qing)鍵結(jie)構，這在很(hen)大程度(du)上限制(zhi)了室溫下它(ta)在水和有(you)機介質中的溶(rong)解度。隨(sui)著NaOH／尿素水(shui)體系、Ｎ-甲基嗎啉(lin)-Ｎ-氧化物水合物(wu)、離子(zi)液體等溶劑體(ti)系的開發(fā)(fa)，通過重建(jian)再生纖(xian)維素(su)分子間和分(fen)子內的氫鍵(jian)，可以制備再生(sheng)纖維素水凝膠(jiao)。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人(ren)用高濃(nong)度的(de)ZnCl2離子溶液溶解(jie)棉纖(xian)維素，并(bing)將離子化合(he)物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整(zheng)合到纖(xian)維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luo)中，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配(pei)位鍵組(zu)成的物理交(jiao)聯(lián)水凝膠，如圖(tu)１所示。這種(zhong)新型纖(xian)維素基水凝膠(jiao)拉伸率(lv)達到１２０．０％。

為了保證纖(xian)維素的穩(wěn)(wen)定結構和(he)有效溶脹，凝(ning)膠過(guo)程中，一般(ban)會加入化學(xue)交聯(lián)(lian)劑促進三(san)維網(wǎng)絡的(de)共
價結合。目前(qian)報道多的化學(xue)交聯(lián)劑有環(huán)氧(yang)化物(wu)、烷基鹵化物(wu)和含(han)環(huán)氧鹵(lu)化基團的化合(he)物等。鹵代烷與(yu)纖維素(su)反應需要較(jiao)強的堿性環(huán)境(jing)，因此實際操作(zuo)中常(chang)用含環(huán)氧鹵(lu)化基(ji)團的化(hua)合物 （如(ru)環(huán)氧氯丙烷(wan)）進行(xing)化學交聯(lián)(lian)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等(deng)人以豆渣(zha)中提取(qu)的纖(xian)維素為原(yuan)料，通過向其(qi)中加(jia)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(you)良好機(ji)械性能的(de)纖維素(su)水凝膠。通過(guo)改變水(shui)凝膠的含水量(liang)，可調節(jié)(jie)機械性能，其大(da)拉伸(shen)率可達107％。化學(xue)交聯(lián)水凝(ning)膠也可以在(zai)交聯(lián)劑(ji)的存在下，通(tong)過單體(ti)自由(you)基聚合(he)得到，自由基聚(ju)合具有(you)高反(fan)應活性(xing)和對水環(huán)境的(de)要求相對溫(wen)和等優(yōu)(you)勢。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人(ren)通過醚化(hua)改性在(zai)NaOH／尿素水(shui)溶液中制備(bei)烯丙基纖維素(su)，再由(you)熱引發(fā)自(zi)由基聚合得到(dao)纖維素水(shui)凝膠 （ＣＩＨ），其具有(you)高可拉伸性 （拉(la)伸率126％）。通過合(he)理調整(zheng)化學(xue)交聯(lián)密度，還可(ke)以控制水凝膠(jiao)的各項性能(neng)。此外，該(gai) ＣＩＨ 可以作(zuo)為可靠和(he)穩(wěn)定的應(ying)變傳(chuan)感器，并已成功(gong)用于監(jiān)測人類(lei)活動。

雙交聯(lián)(lian)水凝膠具有(you)突出的性(xing)能優(yōu)勢，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等(deng)人利用環(huán)(huan)氧氯丙烷加(jia)氫鍵(jian)交聯(lián)方法制(zhi)備了雙交聯(lián)(lian) （ＤＣ）纖維素水凝膠(jiao)，如圖２所(suo)示。研究(jiu)了 ＤＣ纖維素(su)水凝膠中化(hua)學交(jiao)聯(lián)域和物理交(jiao)聯(lián)域的(de)形成和空(kong)間分布，發(fā)現(xiàn)環(huán)(huan)氧氯丙(bing)烷與葡萄糖單(dan)元的物質(zhi)的量的比和(he)乙醇水(shui)溶液(ye)的濃度(du)是調控 ＤＣ纖維(wei)素水凝膠(jiao)力學性能的(de)兩個關鍵參數(shù)(shu)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設計了(le)一種綠(lv)色路(lu)線來制(zhi)備超堅韌(ren)的再生纖維(wei)素薄(bao)膜，在堿(jian)／尿素水溶液(ye)體系中溶(rong)解纖維(wei)素，向其中直接(jie)引入氫鍵(jian)，風干后進(jin)行結(jie)構致密化處(chu)理，水凝膠的強(qiang)度得到了提高(gao)，但拉伸率僅(jin)達到12.4％。為了得到(dao)超拉伸率(lv)的純(chun)纖維素水凝膠(jiao)，再引(yin)入化(hua)學交(jiao)聯(lián) （環(huán)氧氯丙烷(wan)）加氫鍵的(de)組合形(xing)式，使棉纖(xian)維素的(de)拉伸率由(you)僅有(you)氫鍵交聯(lián)(lian)時的12.4％提(ti)升到了44.1％。通(tong)過長短鏈(lian)和內(nei)外層結構設計(ji)，制備出(chu)雙網(wǎng)(wang)絡結(jie)構的水(shui)凝膠，外層短(duan)鏈增加損耗(hao)模量的同(tong)時，內層長鏈(lian)交錯纏繞(rao)，大幅度(du)提高了水 凝 膠(jiao) 的 ?大 拉(la) 伸 率。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通(tong)過纖維(wei)素與(yu)低分子(zi)量和(he)高分子(zi)量交聯(lián)劑的(de)序貫反(fan)應，構建(jian)了化學雙(shuang)交聯(lián)纖維素水(shui)凝膠 （ＤＣＨ），得到了(le)相對短鏈和(he)長鏈的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)絡(luo)。他們提出了(le)ＤＣＨ 的加固機(ji)理，短鏈交(jiao)聯(lián)的(de)斷裂有效地分(fen)散了機(ji)械能量，而長鏈(lian)交聯(lián)維持了(le) ＤＣＨ 的彈(dan)性，因(yin)此，ＤＣＨ 的大(da)拉伸率達到94.5％，此(ci)短鏈和(he)長鏈交聯(lián)的雙(shuang)網(wǎng)絡對(dui)纖維(wei)素水凝膠(jiao)力學性能的提(ti)高起到了(le)重要作用。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人(ren)在自由基(ji)聚合得到纖(xian)維素水凝(ning)膠的基(ji)礎上(shang)，將水(shui)凝膠浸(jin)入飽和ＮａＣｌ溶液中(zhong)進行物理(li)交聯(lián)，制備(bei)物化雙交聯(lián)纖(xian)維素水凝(ning)膠，其大拉伸(shen)率達(da)到了236％。值(zhi)得一提(ti)的是，該水(shui)凝膠應變傳(chuan)感器在測量(liang)手臂和手(shou)腕的彎曲等(deng)常規(guī)動作時信(xin)號穩(wěn)定(ding)、效果良(liang)好，并在－２０℃時仍具(ju)有良好的拉(la)伸性能，為(wei)柔性電(dian)子器(qi)件在大范圍(wei)溫度(du)下的(de)應用提(ti)供了參考(kao)。截至(zhi)目前(qian)，已有很多關于(yu)物理或(huo)化學策略用來(lai)構建(jian)有效(xiao)能量耗(hao)散機制(zhi)的纖維(wei)素基(ji)水凝膠的(de)研究。已報道的(de)水凝(ning)膠的(de)各種交聯(lián)策略(lve)及其拉伸(shen)率的(de)對應關(guan)系如表１所示(shi)。

在交(jiao)聯(lián)方法(fa)已經(jing)確定的情(qing)況下(xia)，還可以通過設(she)計幾何結(jie)構來(lai)滿足在(zai)實際應(ying)用時的超拉(la)伸要求(qiu)。常
見的可拉(la)伸結構有(you)：島橋、波浪／皺(zhou) 紋、紡織和剪紙(zhi)。對于水凝(ning)膠，常采用波浪(lang)結構來提(ti)升其在(zai)應用時的拉(la)伸率。以(yi)纖維(wei)素水凝(ning)膠為例，在(zai)制備器(qi)件之前，先把水(shui)凝膠(jiao)進行預拉伸，然(ran)后將已被(bei)拉伸的(de)水凝膠與其(qi)他器件進(jin)行組合，隨后水(shui)凝膠收縮為(wei)波浪結構。在施(shi)加應變(bian)的情(qing)況下，水凝(ning)膠可以產生及(ji)時充分的形變(bian)且不(bu)被破(po)壞，從而使整個(ge)襯底(di)具備更強的拉(la)伸能力。

摘自：《電子(zi)皮膚用纖維素(su)水凝膠的(de)研究進展》 微納(na)電子(zi)技術