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為了提高水(shui)凝膠拉伸性能(neng)就需要引入(ru)能量耗散機(jī)制(zhi)，傳統(tǒng)(tong)方法有設(shè)(she)計(jì)網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建(jian)復(fù)合材料和引(yin)入微凝膠增強(qiáng)(qiang)效應(yīng)（可視為(wei)兩相復(fù)(fu)合凝膠）。但是(shi)在不引入(ru)其他合(he)成高分子(zi)的情況(kuang)下，要提升纖(xian)維素水凝膠(jiao)的拉(la)伸性能主要(yao)需從交聯(lián)策(ce)略著手(shou)，設(shè)計(jì)出能(neng)量耗散(san)能力強(qiáng)(qiang)的超拉伸(shen)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前(qian)對于水凝膠(jiao)的交聯(lián)(lian)策略主要有(you)三種：物(wu)理交聯(lián)、化(hua)學(xué)交(jiao)聯(lián)和雙(shuang)交聯(lián)。常用的物(wu)理相互作用(yong)除了(le)氫鍵外(wai)，還有(you)疏水相(xiang)互作用(yong)、離子相(xiang)互作用(yong)和主(zhu)－客體相互作(zuo)用等。纖維(wei)素鏈(lian)上豐富的(de)羥基與纖維素(su)的三維立體構(gòu)(gou)象促使(shi)纖維素水凝膠(jiao)自帶氫鍵(jian)交聯(lián)和鏈間交(jiao)錯(cuò)纏結(jié)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等人(ren)誘導(dǎo)大(da)腸桿菌產(chǎn)(chan)生大(da)量的細(xì)菌纖維(wei)素，通過氫鍵(jian)直接(jie)交聯(lián)制備水(shui)凝膠。改(gai)性后的細(xì)菌(jun)纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luò)致密(mi)但仍清晰(xi)，大拉伸率(lv)可達(dá)28.67％。另一(yi)方面，纖維素具(ju)有大量(liang)的氫鍵結(jié)(jie)構(gòu)，這在很(hen)大程(cheng)度上限(xian)制了室溫下它(ta)在水(shui)和有機(jī)介質(zhì)中(zhong)的溶(rong)解度。隨著NaOH／尿素(su)水體(ti)系、Ｎ-甲(jia)基嗎啉(lin)-Ｎ-氧化(hua)物水(shui)合物、離子(zi)液體等(deng)溶劑體(ti)系的開發(fā)(fa)，通過重(zhong)建再生纖維(wei)素分子間(jian)和分子內(nèi)的(de)氫鍵(jian)，可以制備(bei)再生纖維(wei)素水凝膠。2019年(nian)，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用高(gao)濃度的(de)ZnCl2離子溶液溶(rong)解棉(mian)纖維(wei)素，并(bing)將離子(zi)化合物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合(he)到纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luò)中，得(de)到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維(wei)素配位鍵組(zu)成的物(wu)理交聯(lián)(lian)水凝(ning)膠，如圖１所(suo)示。這(zhe)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(zheng)纖維素的穩(wěn)(wen)定結(jié)構(gòu)和有(you)效溶脹，凝膠過(guo)程中，一般會加(jia)入化學(xué)交聯(lián)(lian)劑促進(jìn)三(san)維網(wǎng)絡(luò)的共
價(jià)結(jié)合。目前(qian)報(bào)道多(duo)的化學(xué)(xue)交聯(lián)劑有(you)環(huán)氧(yang)化物、烷(wan)基鹵化物和含(han)環(huán)氧鹵化(hua)基團(tuán)的化合(he)物等。鹵代烷(wan)與纖維(wei)素反應(yīng)需要較(jiao)強(qiáng)的堿性環(huán)境(jing)，因此實(shí)際操作(zuo)中常用含環(huán)(huan)氧鹵化(hua)基團(tuán)的(de)化合物(wu) （如環(huán)氧氯丙(bing)烷）進(jìn)行(xing)化學(xué)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等(deng)人以(yi)豆渣中(zhong)提取(qu)的纖維素為原(yuan)料，通過(guo)向其(qi)中加入環(huán)氧(yang)氯丙烷 （ＥＣＨ）與(yu)無水(shui)葡萄(tao)糖單(dan)元 （ＡＧＵ），制備了(le)具有(you)良好機(jī)械(xie)性能的纖(xian)維素水凝膠。通(tong)過改變水凝膠(jiao)的含(han)水量，可調(diào)節(jié)(jie)機(jī)械性能(neng)，其大(da)拉伸率可達(dá)107％?；?hua)學(xué)交聯(lián)水凝膠(jiao)也可以在(zai)交聯(lián)劑的(de)存在下，通過單(dan)體自由基聚合(he)得到，自由基(ji)聚合具(ju)有高(gao)反應(yīng)活(huo)性和對(dui)水環(huán)境的要(yao)求相(xiang)對溫(wen)和等優(yōu)勢(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等(deng)人通過醚化改(gai)性在NaOH／尿素水(shui)溶液中(zhong)制備烯(xi)丙基纖維(wei)素，再由熱(re)引發(fā)自(zi)由基聚合得(de)到纖維素(su)水凝膠 （ＣＩＨ），其具有(you)高可拉伸(shen)性 （拉(la)伸率126％）。通(tong)過合理調(diào)整(zheng)化學(xué)交聯(lián)(lian)密度，還(hai)可以控(kong)制水凝(ning)膠的各項(xiàng)(xiang)性能(neng)。此外，該 ＣＩＨ 可以作(zuo)為可(ke)靠和穩(wěn)(wen)定的應(yīng)(ying)變傳感器，并已(yi)成功用于監(jiān)測(ce)人類活動。

雙交聯(lián)(lian)水凝膠具(ju)有突出的性(xing)能優(yōu)勢，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用環(huán)(huan)氧氯丙烷加氫(qing)鍵交(jiao)聯(lián)方法制(zhi)備了雙(shuang)交聯(lián)(lian) （ＤＣ）纖維(wei)素水凝(ning)膠，如圖２所示。研(yan)究了(le) ＤＣ纖維素水凝膠(jiao)中化學(xué)交聯(lián)域(yu)和物理交聯(lián)(lian)域的形成和(he)空間分布，發(fā)(fa)現(xiàn)環(huán)氧氯丙烷(wan)與葡萄糖(tang)單元的物(wu)質(zhì)的量的比和(he)乙醇水溶液(ye)的濃度(du)是調(diào)控 ＤＣ纖維素(su)水凝(ning)膠力學(xué)性能的(de)兩個(gè)關(guān)鍵參(can)數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人設(shè)計(jì)(ji)了一種(zhong)綠色路線來(lai)制備(bei)超堅(jiān)韌的再生(sheng)纖維素薄膜，在(zai)堿／尿(niao)素水溶液(ye)體系中溶解(jie)纖維(wei)素，向其中直(zhi)接引入氫鍵(jian)，風(fēng)干(gan)后進(jìn)行結(jié)(jie)構(gòu)致密化處理(li)，水凝膠的強(qiáng)(qiang)度得到了提高(gao)，但拉(la)伸率僅達(dá)到12.4％。為(wei)了得到超(chao)拉伸率(lv)的純纖維素(su)水凝膠(jiao)，再引入化學(xué)(xue)交聯(lián) （環(huán)氧氯(lv)丙烷）加氫鍵的(de)組合形式，使(shi)棉纖維素的(de)拉伸率(lv)由僅有(you)氫鍵交(jiao)聯(lián)時(shí)的12.4％提升(sheng)到了44.1％。通過長短(duan)鏈和(he)內(nèi)外層(ceng)結(jié)構(gòu)設(shè)(she)計(jì)，制備出雙網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水(shui)凝膠，外(wai)層短(duan)鏈增加損耗模(mo)量的同時(shí)(shi)，內(nèi)層長鏈交錯(cuò)(cuo)纏繞，大(da)幅度提高了(le)水 凝(ning) 膠 的 ?大 拉 伸 率(lv)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)通過纖維素(su)與低分(fen)子量和高分子(zi)量交聯(lián)劑的序(xu)貫反應(yīng)，構(gòu)建(jian)了化學(xué)雙交(jiao)聯(lián)纖維素(su)水凝膠 （ＤＣＨ），得到了(le)相對短鏈和長(zhang)鏈的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他們提(ti)出了ＤＣＨ 的加固(gu)機(jī)理，短鏈交(jiao)聯(lián)的(de)斷裂有(you)效地分散了(le)機(jī)械能(neng)量，而長(zhang)鏈交(jiao)聯(lián)維持了(le) ＤＣＨ 的彈(dan)性，因(yin)此，ＤＣＨ 的(de)大拉伸率(lv)達(dá)到94.5％，此短(duan)鏈和長(zhang)鏈交聯(lián)的雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)對纖(xian)維素水凝膠力(li)學(xué)性能的提高(gao)起到了重要作(zuo)用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人(ren)在自(zi)由基聚合(he)得到纖維素(su)水凝膠的(de)基礎(chǔ)上，將水(shui)凝膠浸入飽(bao)和ＮａＣｌ溶液中(zhong)進(jìn)行(xing)物理交聯(lián)，制(zhi)備物化雙交(jiao)聯(lián)纖(xian)維素水凝膠，其(qi)大拉伸(shen)率達(dá)到了236％。值得(de)一提的是(shi)，該水(shui)凝膠(jiao)應(yīng)變傳感器(qi)在測量手(shou)臂和手腕的彎(wan)曲等(deng)常規(guī)動作時(shí)(shi)信號穩(wěn)(wen)定、效果(guo)良好，并在(zai)－２０℃時(shí)仍(reng)具有良好的拉(la)伸性能(neng)，為柔(rou)性電子(zi)器件在大范圍(wei)溫度下的應(yīng)(ying)用提供了參(can)考。截(jie)至目前，已有很(hen)多關(guān)(guan)于物理或(huo)化學(xué)策略用來(lai)構(gòu)建有效能量(liang)耗散機(jī)(ji)制的纖維素(su)基水凝膠的(de)研究。已報(bào)道的(de)水凝膠的各(ge)種交聯(lián)(lian)策略及其拉(la)伸率的對應(yīng)關(guān)(guan)系如表(biao)１所示(shi)。

在交(jiao)聯(lián)方法已(yi)經(jīng)確定的情況(kuang)下，還可以通(tong)過設(shè)計(jì)幾何結(jié)(jie)構(gòu)來滿足在(zai)實(shí)際(ji)應(yīng)用時(shí)(shi)的超(chao)拉伸要求(qiu)。常
見的可拉(la)伸結(jié)(jie)構(gòu)有：島橋、波(bo)浪／皺 紋、紡(fang)織和剪紙。對(dui)于水(shui)凝膠，常采用波(bo)浪結(jié)構(gòu)來提升(sheng)其在(zai)應(yīng)用時(shí)的(de)拉伸率(lv)。以纖維素(su)水凝(ning)膠為例(li)，在制備(bei)器件之前(qian)，先把水凝(ning)膠進(jìn)行預(yù)拉伸(shen)，然后將已被拉(la)伸的水(shui)凝膠與其他器(qi)件進(jìn)(jin)行組合，隨(sui)后水(shui)凝膠收縮為波(bo)浪結(jié)構(gòu)。在施加(jia)應(yīng)變的情(qing)況下，水凝膠(jiao)可以產(chǎn)生及時(shí)(shi)充分的形(xing)變且不被破(po)壞，從而使(shi)整個(gè)襯(chen)底具備更(geng)強(qiáng)的拉(la)伸能力(li)。

摘自：《電(dian)子皮膚用纖(xian)維素水(shui)凝膠的研究(jiu)進(jìn)展(zhan)》 微納電子技術(shù)(shu)