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為了提高水(shui)凝膠拉(la)伸性能就(jiu)需要(yao)引入能量耗散(san)機制，傳統(tǒng)方法(fa)有設計網絡(luo)結構、構建復合(he)材料和(he)引入(ru)微凝膠增(zeng)強效應（可視為(wei)兩相復(fu)合凝膠）。但(dan)是在不(bu)引入其他(ta)合成(cheng)高分子的情(qing)況下，要提升纖(xian)維素水凝(ning)膠的拉伸性(xing)能主要需從(cong)交聯(lián)策略著(zhe)手，設計出能(neng)量耗(hao)散能力強(qiang)的超拉伸網(wang)絡結構。目前(qian)對于水凝膠(jiao)的交聯(lián)(lian)策略主要(yao)有三種：物理交(jiao)聯(lián)、化學交聯(lián)(lian)和雙交聯(lián)(lian)。常用的物理相(xiang)互作(zuo)用除了(le)氫鍵外，還有(you)疏水相互作用(yong)、離子相互(hu)作用和(he)主－客體相(xiang)互作用(yong)等。纖維(wei)素鏈上豐(feng)富的羥基與纖(xian)維素的三維立(li)體構象促使(shi)纖維素水凝膠(jiao)自帶氫鍵交(jiao)聯(lián)和鏈間(jian)交錯纏結。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等(deng)人誘導(dao)大腸桿(gan)菌產(chan)生大量的細菌(jun)纖維素，通(tong)過氫鍵直接(jie)交聯(lián)制備水(shui)凝膠。改性后的(de)細菌(jun)纖維素水(shui)凝膠網絡致(zhi)密但(dan)仍清晰，大拉(la)伸率可達28.67％。另(ling)一方面，纖(xian)維素具(ju)有大量的氫(qing)鍵結構，這在很(hen)大程(cheng)度上限制了(le)室溫下它在水(shui)和有機介(jie)質中的(de)溶解度。隨著(zhe)NaOH／尿素水體(ti)系、Ｎ-甲基嗎啉(lin)-Ｎ-氧化物水合物(wu)、離子液體等溶(rong)劑體系的開(kai)發(fā)，通(tong)過重建再生纖(xian)維素(su)分子間和分子(zi)內的氫鍵，可以(yi)制備再生(sheng)纖維素水凝膠(jiao)。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等(deng)人用高濃度的(de)ZnCl2離子(zi)溶液溶解(jie)棉纖(xian)維素，并將離子(zi)化合物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維素(su)水凝膠網絡(luo)中，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配(pei)位鍵組成(cheng)的物理交聯(lián)水(shui)凝膠，如圖１所示(shi)。這種(zhong)新型纖維(wei)素基水凝(ning)膠拉(la)伸率(lv)達到１２０．０％。

為了(le)保證(zheng)纖維素的穩(wěn)定(ding)結構和有(you)效溶脹，凝膠(jiao)過程中，一般會(hui)加入化學交聯(lián)(lian)劑促進三維(wei)網絡的共
價結合(he)。目前報(bao)道多的化(hua)學交(jiao)聯(lián)劑有環(huán)(huan)氧化物、烷(wan)基鹵化物和含(han)環(huán)氧鹵化(hua)基團的化(hua)合物等(deng)。鹵代烷與纖(xian)維素反應需要(yao)較強的堿(jian)性環(huán)境，因此實(shi)際操作(zuo)中常用含環(huán)(huan)氧鹵化基團(tuan)的化合物 （如(ru)環(huán)氧氯丙烷）進(jin)行化學交(jiao)聯(lián)。2019年(nian)，Ｘ．Ｃｕｉ等人以豆渣中(zhong)提取的(de)纖維素為原料(liao)，通過向其中加(jia)入環(huán)氧(yang)氯丙烷 （ＥＣＨ）與無水(shui)葡萄糖(tang)單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了具有良好(hao)機械性(xing)能的纖維素(su)水凝膠(jiao)。通過(guo)改變(bian)水凝(ning)膠的含水量(liang)，可調節(jié)機械(xie)性能，其(qi)大拉(la)伸率可達(da)107％?；瘜W交聯(lián)(lian)水凝(ning)膠也可以(yi)在交聯(lián)劑的存(cun)在下(xia)，通過單體自(zi)由基聚合得到(dao)，自由基聚(ju)合具有高(gao)反應活性和對(dui)水環(huán)境的(de)要求相對溫和(he)等優(yōu)勢。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等(deng)人通過(guo)醚化改性在NaOH／尿(niao)素水(shui)溶液中制備(bei)烯丙(bing)基纖維(wei)素，再由熱引(yin)發(fā)自由基聚合(he)得到纖維素(su)水凝膠 （ＣＩＨ），其(qi)具有高可拉伸(shen)性 （拉伸(shen)率126％）。通過(guo)合理調(diao)整化學交(jiao)聯(lián)密(mi)度，還可(ke)以控(kong)制水凝(ning)膠的各(ge)項性(xing)能。此外，該(gai) ＣＩＨ 可以(yi)作為可(ke)靠和穩(wěn)(wen)定的應變傳(chuan)感器，并已(yi)成功用(yong)于監(jiān)測(ce)人類活(huo)動。

雙交聯(lián)水凝膠(jiao)具有突(tu)出的性能優(yōu)勢(shi)，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用環(huán)氧氯丙(bing)烷加氫鍵交(jiao)聯(lián)方法制(zhi)備了雙(shuang)交聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素水凝(ning)膠，如圖２所示。研(yan)究了 ＤＣ纖維素水(shui)凝膠(jiao)中化學交聯(lián)域(yu)和物理交(jiao)聯(lián)域的(de)形成和空間(jian)分布(bu)，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧氯丙(bing)烷與葡萄(tao)糖單元(yuan)的物質的(de)量的比和乙醇(chun)水溶(rong)液的濃(nong)度是調(diao)控 ＤＣ纖維(wei)素水凝(ning)膠力學(xue)性能的(de)兩個關鍵參(can)數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(she)計了(le)一種綠色路線(xian)來制備(bei)超堅韌的再生(sheng)纖維素(su)薄膜(mo)，在堿(jian)／尿素水溶(rong)液體系中溶(rong)解纖維素，向其(qi)中直接引入(ru)氫鍵(jian)，風干后進(jin)行結構致密化(hua)處理，水凝膠的(de)強度(du)得到了提高(gao)，但拉伸率僅(jin)達到12.4％。為了得(de)到超拉(la)伸率(lv)的純纖維素水(shui)凝膠，再引入化(hua)學交聯(lián)(lian) （環(huán)氧氯丙烷(wan)）加氫鍵的組(zu)合形式(shi)，使棉(mian)纖維素(su)的拉伸(shen)率由僅有(you)氫鍵交聯(lián)(lian)時的12.4％提(ti)升到了44.1％。通過(guo)長短(duan)鏈和內外層(ceng)結構設計，制備(bei)出雙(shuang)網絡結構的水(shui)凝膠，外(wai)層短鏈增(zeng)加損耗模量的(de)同時，內層長(zhang)鏈交(jiao)錯纏(chan)繞，大幅度提高(gao)了水 凝 膠 的(de) ?大 拉 伸 率。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通(tong)過纖(xian)維素與低(di)分子量和高(gao)分子(zi)量交(jiao)聯(lián)劑的序(xu)貫反應，構(gou)建了化學(xue)雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了相對(dui)短鏈和長(zhang)鏈的交聯(lián)網(wang)絡。他們提(ti)出了ＤＣＨ 的加固(gu)機理，短鏈交聯(lián)(lian)的斷裂有效地(di)分散了(le)機械能(neng)量，而長鏈交聯(lián)(lian)維持(chi)了 ＤＣＨ 的彈性，因(yin)此，ＤＣＨ 的大拉伸率(lv)達到94.5％，此短鏈和(he)長鏈交聯(lián)的(de)雙網絡對纖(xian)維素水凝膠力(li)學性能的(de)提高起到了重(zhong)要作(zuo)用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在自(zi)由基聚合得到(dao)纖維素水(shui)凝膠的基礎(chu)上，將(jiang)水凝膠(jiao)浸入飽和ＮａＣｌ溶(rong)液中(zhong)進行物理(li)交聯(lián)，制備物化(hua)雙交聯(lián)纖(xian)維素水凝膠(jiao)，其大拉伸率(lv)達到(dao)了236％。值得一(yi)提的是(shi)，該水凝膠應變(bian)傳感器在測量(liang)手臂和手腕的(de)彎曲等常(chang)規(guī)動作時(shi)信號穩(wěn)(wen)定、效果良(liang)好，并在(zai)－２０℃時仍具有良(liang)好的拉伸性(xing)能，為柔性電(dian)子器件在大(da)范圍溫度(du)下的(de)應用提供了參(can)考。截至目前(qian)，已有很多(duo)關于(yu)物理或化學(xue)策略用(yong)來構建有效能(neng)量耗散(san)機制的纖(xian)維素基水凝膠(jiao)的研究。已報道(dao)的水凝膠的(de)各種交(jiao)聯(lián)策略及其拉(la)伸率(lv)的對應(ying)關系(xi)如表(biao)１所示。

在交聯(lián)(lian)方法(fa)已經(jing)確定的情況下(xia)，還可(ke)以通過(guo)設計幾何結構(gou)來滿(man)足在實(shi)際應用時(shi)的超拉(la)伸要求。常
見的可拉伸結(jie)構有：島橋、波(bo)浪／皺 紋(wen)、紡織和剪紙(zhi)。對于(yu)水凝膠(jiao)，常采用波浪結(jie)構來提升(sheng)其在應用(yong)時的拉伸(shen)率。以纖維素水(shui)凝膠為例，在(zai)制備器件之前(qian)，先把(ba)水凝膠進行(xing)預拉(la)伸，然后將已被(bei)拉伸(shen)的水凝膠與(yu)其他(ta)器件進(jin)行組合(he)，隨后水(shui)凝膠收(shou)縮為波浪結構(gou)。在施(shi)加應變的(de)情況下，水凝膠(jiao)可以產(chan)生及時(shi)充分(fen)的形變且不被(bei)破壞(huai)，從而使整個(ge)襯底(di)具備(bei)更強(qiang)的拉伸能力。

摘自：《電子皮膚(fu)用纖維素(su)水凝膠的研究(jiu)進展》 微納(na)電子技術