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為了提高水(shui)凝膠拉伸性能(neng)就需要(yao)引入能(neng)量耗散機(ji)制，傳統(tǒng)方(fang)法有(you)設(shè)計網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)(gou)建復(fù)合材料和(he)引入(ru)微凝膠增強效(xiao)應(yīng)（可視為兩(liang)相復(fù)(fu)合凝膠）。但是在(zai)不引入(ru)其他合成(cheng)高分子的(de)情況下，要提(ti)升纖(xian)維素(su)水凝膠(jiao)的拉伸性能(neng)主要需從交(jiao)聯(lián)策(ce)略著手，設(shè)計出(chu)能量耗散能力(li)強的超拉(la)伸網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前對(dui)于水凝(ning)膠的交(jiao)聯(lián)策略主要(yao)有三種：物理(li)交聯(lián)、化學(xué)交(jiao)聯(lián)和雙交聯(lián)。常(chang)用的物(wu)理相互作用(yong)除了氫鍵外，還(hai)有疏水相互作(zuo)用、離子相互作(zuo)用和主(zhu)－客體(ti)相互作用等。纖(xian)維素鏈上(shang)豐富的(de)羥基與纖維素(su)的三(san)維立體構(gòu)(gou)象促使(shi)纖維素(su)水凝膠自帶氫(qing)鍵交聯(lián)和鏈間(jian)交錯纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘(you)導(dǎo)大腸桿菌產(chǎn)(chan)生大量(liang)的細(xì)菌纖維(wei)素，通過氫(qing)鍵直接交聯(lián)制(zhi)備水(shui)凝膠。改性(xing)后的細(xì)菌(jun)纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luò)(luo)致密但仍清(qing)晰，大拉(la)伸率可達(dá)28.67％。另(ling)一方面(mian)，纖維(wei)素具有大(da)量的氫鍵(jian)結(jié)構(gòu)，這在很大(da)程度(du)上限制了室溫(wen)下它(ta)在水和有機介(jie)質(zhì)中的(de)溶解度(du)。隨著NaOH／尿素水體(ti)系、Ｎ-甲基(ji)嗎啉-Ｎ-氧化(hua)物水合物、離(li)子液體等溶劑(ji)體系(xi)的開發(fā)，通(tong)過重建再生纖(xian)維素分子間和(he)分子(zi)內(nèi)的氫(qing)鍵，可(ke)以制備(bei)再生纖維素水(shui)凝膠。2019年(nian)，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用(yong)高濃度的ZnCl2離(li)子溶液(ye)溶解棉(mian)纖維素，并將離(li)子化合物(wu)（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維素(su)水凝膠網(wǎng)(wang)絡(luò)中(zhong)，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素(su)配位鍵組成的(de)物理交聯(lián)水凝(ning)膠，如圖１所(suo)示。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(bao)證纖維(wei)素的穩(wěn)定(ding)結(jié)構(gòu)和有(you)效溶脹，凝(ning)膠過(guo)程中，一(yi)般會加入化學(xué)(xue)交聯(lián)劑促進(jìn)(jin)三維(wei)網(wǎng)絡(luò)的共
價結(jié)合。目前(qian)報道多的(de)化學(xué)交聯(lián)劑(ji)有環(huán)氧(yang)化物(wu)、烷基鹵(lu)化物和含環(huán)氧(yang)鹵化(hua)基團(tuán)的(de)化合物等。鹵(lu)代烷與(yu)纖維(wei)素反應(yīng)需要(yao)較強的堿性環(huán)(huan)境，因此(ci)實際操作中(zhong)常用含環(huán)(huan)氧鹵化基團(tuán)的(de)化合物(wu) （如環(huán)(huan)氧氯(lv)丙烷）進(jìn)行化(hua)學(xué)交(jiao)聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人以(yi)豆渣中提取的(de)纖維素為(wei)原料(liao)，通過向其(qi)中加入環(huán)氧氯(lv)丙烷 （ＥＣＨ）與(yu)無水葡萄糖單(dan)元 （ＡＧＵ），制備了具有(you)良好機械性(xing)能的纖維(wei)素水凝膠(jiao)。通過改變水凝(ning)膠的(de)含水量，可(ke)調(diào)節(jié)機械(xie)性能，其大(da)拉伸率(lv)可達(dá)107％?；瘜W(xué)交(jiao)聯(lián)水(shui)凝膠(jiao)也可以在(zai)交聯(lián)劑的存在(zai)下，通過單體自(zi)由基聚合(he)得到，自由基(ji)聚合具(ju)有高反應(yīng)活性(xing)和對水環(huán)(huan)境的要求相(xiang)對溫和等優(yōu)(you)勢。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等(deng)人通過醚(mi)化改(gai)性在NaOH／尿素水溶(rong)液中制備(bei)烯丙基纖維(wei)素，再由(you)熱引(yin)發(fā)自(zi)由基(ji)聚合(he)得到纖維素水(shui)凝膠(jiao) （ＣＩＨ），其具有高可拉(la)伸性 （拉伸率(lv)126％）。通過合理調(diào)(diao)整化(hua)學(xué)交聯(lián)(lian)密度，還可(ke)以控制水(shui)凝膠的(de)各項性能。此外(wai)，該 ＣＩＨ 可以(yi)作為可靠和(he)穩(wěn)定的應(yīng)變(bian)傳感器，并已(yi)成功(gong)用于監(jiān)測人類(lei)活動(dong)。

雙交聯(lián)(lian)水凝膠具有(you)突出的(de)性能優(yōu)勢，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用環(huán)(huan)氧氯丙烷(wan)加氫(qing)鍵交(jiao)聯(lián)方法制備了(le)雙交(jiao)聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素(su)水凝膠，如圖２所(suo)示。研(yan)究了(le) ＤＣ纖維素水凝膠(jiao)中化學(xué)(xue)交聯(lián)域和物理(li)交聯(lián)域的形成(cheng)和空(kong)間分布，發(fā)(fa)現(xiàn)環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷與葡(pu)萄糖單元(yuan)的物質(zhì)的量的(de)比和乙醇(chun)水溶液的濃度(du)是調(diào)控(kong) ＤＣ纖維素水(shui)凝膠力學(xué)性能(neng)的兩(liang)個關(guān)鍵參數(shù)(shu)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(shè)(she)計了一種綠(lv)色路線來制(zhi)備超堅韌(ren)的再生(sheng)纖維素(su)薄膜，在堿(jian)／尿素水溶液體(ti)系中溶解纖(xian)維素，向其中(zhong)直接引入氫鍵(jian)，風(fēng)干后進(jìn)行結(jié)(jie)構(gòu)致密化(hua)處理，水凝(ning)膠的強度得(de)到了提高(gao)，但拉(la)伸率僅達(dá)到(dao)12.4％。為了(le)得到超拉伸率(lv)的純纖維(wei)素水凝膠，再(zai)引入化學(xué)(xue)交聯(lián)(lian) （環(huán)氧(yang)氯丙烷）加(jia)氫鍵(jian)的組合形(xing)式，使棉纖(xian)維素的拉伸(shen)率由僅有氫鍵(jian)交聯(lián)(lian)時的12.4％提升到了(le)44.1％。通過長短鏈(lian)和內(nèi)外層(ceng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備(bei)出雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)的水凝(ning)膠，外層短鏈增(zeng)加損耗模量的(de)同時，內(nèi)(nei)層長鏈交錯纏(chan)繞，大幅度提高(gao)了水(shui) 凝 膠 的 ?大(da) 拉 伸(shen) 率。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過(guo)纖維素(su)與低分子量和(he)高分子量交聯(lián)(lian)劑的序貫反(fan)應(yīng)，構(gòu)建了化(hua)學(xué)雙(shuang)交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了(le)相對短鏈(lian)和長鏈(lian)的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(luo)。他們提出了ＤＣＨ 的(de)加固機理，短(duan)鏈交聯(lián)的斷裂(lie)有效地分散(san)了機械能(neng)量，而長鏈(lian)交聯(lián)維持了(le) ＤＣＨ 的彈(dan)性，因此(ci)，ＤＣＨ 的大拉伸率(lv)達(dá)到94.5％，此短(duan)鏈和長鏈交(jiao)聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)(luo)對纖維素(su)水凝膠力學(xué)(xue)性能的提高(gao)起到了(le)重要作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在自(zi)由基聚合得(de)到纖維素水凝(ning)膠的基礎(chǔ)(chu)上，將水(shui)凝膠(jiao)浸入飽(bao)和ＮａＣｌ溶液中進(jìn)(jin)行物理交聯(lián)，制(zhi)備物化雙交(jiao)聯(lián)纖維素水(shui)凝膠，其(qi)大拉伸率達(dá)到(dao)了236％。值得一(yi)提的是(shi)，該水凝(ning)膠應(yīng)變傳感器(qi)在測量手臂(bi)和手腕(wan)的彎曲等(deng)常規(guī)動(dong)作時信號(hao)穩(wěn)定(ding)、效果(guo)良好，并在－２０℃時仍(reng)具有良好的(de)拉伸性能(neng)，為柔性電(dian)子器件在(zai)大范圍溫度下(xia)的應(yīng)用提供了(le)參考。截至目(mu)前，已有(you)很多關(guān)(guan)于物理或化學(xué)(xue)策略用來(lai)構(gòu)建有效能(neng)量耗散(san)機制的(de)纖維素基水(shui)凝膠的研究。已(yi)報道的水凝(ning)膠的各種(zhong)交聯(lián)策略(lve)及其(qi)拉伸率的對應(yīng)(ying)關(guān)系如(ru)表１所示。

在交(jiao)聯(lián)方法已經(jīng)確(que)定的情(qing)況下，還可以(yi)通過(guo)設(shè)計幾何(he)結(jié)構(gòu)(gou)來滿足在(zai)實際應(yīng)用時的(de)超拉伸要(yao)求。常
見的可拉伸結(jié)(jie)構(gòu)有：島(dao)橋、波浪(lang)／皺 紋、紡織和(he)剪紙(zhi)。對于水凝膠(jiao)，常采用(yong)波浪結(jié)構(gòu)來提(ti)升其在(zai)應(yīng)用時(shi)的拉(la)伸率。以纖維素(su)水凝膠為(wei)例，在制(zhi)備器件(jian)之前，先把水(shui)凝膠進(jìn)行預(yù)拉(la)伸，然后(hou)將已被拉伸的(de)水凝膠與其(qi)他器件(jian)進(jìn)行組(zu)合，隨后水凝(ning)膠收縮(suo)為波浪(lang)結(jié)構(gòu)。在施(shi)加應(yīng)(ying)變的情況下(xia)，水凝膠可以產(chǎn)(chan)生及(ji)時充分的形(xing)變且不(bu)被破壞(huai)，從而使整(zheng)個襯底(di)具備更(geng)強的拉(la)伸能力。

摘自：《電子皮(pi)膚用纖(xian)維素水凝(ning)膠的研究(jiu)進(jìn)展》 微(wei)納電子(zi)技術(shù)