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為了提高(gao)水凝膠拉(la)伸性(xing)能就需要引(yin)入能量耗散機(jī)(ji)制，傳(chuan)統(tǒng)方法(fa)有設(shè)計(jì)(ji)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)(gou)建復(fù)合材料(liao)和引入微凝膠(jiao)增強(qiáng)效(xiao)應(yīng)（可視(shi)為兩相(xiang)復(fù)合凝(ning)膠）。但(dan)是在不引入(ru)其他合成高分(fen)子的(de)情況下(xia)，要提升纖維素(su)水凝膠的(de)拉伸性能主要(yao)需從交聯(lián)(lian)策略著手，設(shè)(she)計(jì)出(chu)能量耗散能力(li)強(qiáng)的超拉伸(shen)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目(mu)前對(duì)于水凝(ning)膠的交聯(lián)(lian)策略主要有三(san)種：物理交聯(lián)(lian)、化學(xué)交聯(lián)(lian)和雙交聯(lián)(lian)。常用的物(wu)理相互作用(yong)除了氫(qing)鍵外，還有(you)疏水相互作(zuo)用、離子相(xiang)互作用和主－客(ke)體相(xiang)互作(zuo)用等(deng)。纖維(wei)素鏈上豐富(fu)的羥基與纖維(wei)素的三維立(li)體構(gòu)(gou)象促使纖維(wei)素水凝膠自(zi)帶氫鍵交(jiao)聯(lián)和(he)鏈間(jian)交錯(cuò)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導(dǎo)(dao)大腸桿菌產(chǎn)生(sheng)大量的細(xì)菌纖(xian)維素，通過(guò)氫(qing)鍵直接交聯(lián)制(zhi)備水(shui)凝膠。改(gai)性后的細(xì)菌纖(xian)維素水凝(ning)膠網(wǎng)絡(luò)致密(mi)但仍(reng)清晰，大(da)拉伸率可(ke)達(dá)28.67％。另一方面(mian)，纖維素具有大(da)量的氫鍵結(jié)(jie)構(gòu)，這在(zai)很大程度(du)上限制(zhi)了室(shi)溫下它(ta)在水(shui)和有機(jī)介質(zhì)(zhi)中的溶解度(du)。隨著NaOH／尿素水體(ti)系、Ｎ-甲基嗎(ma)啉-Ｎ-氧化物(wu)水合物、離子液(ye)體等溶劑(ji)體系的開(kāi)(kai)發(fā)，通過(guò)重建(jian)再生纖維素分(fen)子間和分(fen)子內(nèi)的氫鍵(jian)，可以制備再生(sheng)纖維素(su)水凝膠。2019年(nian)，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用高(gao)濃度的(de)ZnCl2離子溶液溶解(jie)棉纖(xian)維素，并將離子(zi)化合物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合(he)到纖維(wei)素水凝(ning)膠網(wǎng)(wang)絡(luò)中，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維(wei)素配位鍵組(zu)成的物理交聯(lián)(lian)水凝(ning)膠，如(ru)圖１所示(shi)。這種新型纖維(wei)素基水(shui)凝膠拉伸率(lv)達(dá)到(dao)１２０．０％。

為了(le)保證纖維素的(de)穩(wěn)定(ding)結(jié)構(gòu)和(he)有效(xiao)溶脹，凝(ning)膠過(guò)程中，一般(ban)會(huì)加(jia)入化學(xué)交聯(lián)(lian)劑促(cu)進(jìn)三(san)維網(wǎng)(wang)絡(luò)的共
價(jià)結(jié)合。目(mu)前報(bào)道多的(de)化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑有環(huán)氧化(hua)物、烷基鹵化(hua)物和含環(huán)氧鹵(lu)化基團(tuán)的(de)化合物等。鹵代(dai)烷與纖維素反(fan)應(yīng)需要較強(qiáng)的(de)堿性環(huán)境，因(yin)此實(shí)際操(cao)作中常用含環(huán)(huan)氧鹵化基(ji)團(tuán)的化合物 （如(ru)環(huán)氧氯丙烷(wan)）進(jìn)行化(hua)學(xué)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等(deng)人以(yi)豆渣中提取(qu)的纖(xian)維素(su)為原料，通過(guò)向(xiang)其中(zhong)加入(ru)環(huán)氧氯丙(bing)烷 （ＥＣＨ）與(yu)無(wú)水葡萄糖(tang)單元 （ＡＧＵ），制備了具(ju)有良好(hao)機(jī)械性能的(de)纖維(wei)素水凝膠。通過(guò)(guo)改變(bian)水凝膠的(de)含水量，可調(diào)節(jié)(jie)機(jī)械(xie)性能(neng)，其大拉伸率(lv)可達(dá)107％。化(hua)學(xué)交聯(lián)(lian)水凝膠也可以(yi)在交聯(lián)劑的存(cun)在下，通過(guò)(guo)單體(ti)自由(you)基聚合得(de)到，自由基聚(ju)合具有高反(fan)應(yīng)活(huo)性和對(duì)水環(huán)(huan)境的要求(qiu)相對(duì)溫和(he)等優(yōu)勢(shì)(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過(guò)醚化改(gai)性在NaOH／尿素(su)水溶液(ye)中制(zhi)備烯丙基纖(xian)維素，再(zai)由熱(re)引發(fā)自由基(ji)聚合得到纖(xian)維素水凝膠 （ＣＩＨ），其(qi)具有(you)高可拉伸性 （拉(la)伸率126％）。通過(guò)合理(li)調(diào)整化學(xué)交(jiao)聯(lián)密度，還(hai)可以控制(zhi)水凝膠的(de)各項(xiàng)性(xing)能。此外，該(gai) ＣＩＨ 可以作為可(ke)靠和穩(wěn)定的(de)應(yīng)變傳感器(qi)，并已成功用于(yu)監(jiān)測(cè)(ce)人類活動(dòng)(dong)。

雙交聯(lián)(lian)水凝膠(jiao)具有突(tu)出的性能優(yōu)勢(shì)(shi)，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用(yong)環(huán)氧氯丙烷(wan)加氫鍵(jian)交聯(lián)方(fang)法制備了(le)雙交聯(lián) （ＤＣ）纖維素(su)水凝膠，如圖２所(suo)示。研究了 ＤＣ纖(xian)維素(su)水凝(ning)膠中(zhong)化學(xué)(xue)交聯(lián)(lian)域和(he)物理交聯(lián)(lian)域的形(xing)成和空間(jian)分布(bu)，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧(yang)氯丙烷與葡(pu)萄糖(tang)單元的物(wu)質(zhì)的量的比(bi)和乙醇水溶液(ye)的濃(nong)度是調(diào)控 ＤＣ纖(xian)維素水凝膠(jiao)力學(xué)性能的兩(liang)個(gè)關(guān)鍵(jian)參數(shù)(shu)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(shè)計(jì)(ji)了一種(zhong)綠色(se)路線(xian)來(lái)制備(bei)超堅(jiān)韌的再生(sheng)纖維(wei)素薄膜(mo)，在堿(jian)／尿素水溶液體(ti)系中溶解(jie)纖維素(su)，向其中直接引(yin)入氫(qing)鍵，風(fēng)干(gan)后進(jìn)行結(jié)構(gòu)(gou)致密化處理(li)，水凝膠(jiao)的強(qiáng)度(du)得到了(le)提高，但拉(la)伸率僅達(dá)到(dao)12.4％。為了得(de)到超拉伸率(lv)的純纖維(wei)素水(shui)凝膠，再引入(ru)化學(xué)(xue)交聯(lián) （環(huán)氧氯丙(bing)烷）加氫鍵的組(zu)合形式，使棉(mian)纖維素的(de)拉伸率由僅(jin)有氫鍵交聯(lián)(lian)時(shí)的12.4％提升到了(le)44.1％。通過(guò)(guo)長(zhǎng)短(duan)鏈和內(nèi)外層結(jié)(jie)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備(bei)出雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(gou)的水凝(ning)膠，外層短鏈(lian)增加損耗模量(liang)的同時(shí)(shi)，內(nèi)層長(zhǎng)(zhang)鏈交(jiao)錯(cuò)纏(chan)繞，大(da)幅度提(ti)高了水 凝(ning) 膠 的 ?大 拉 伸(shen) 率。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人通過(guò)纖(xian)維素與(yu)低分子量和(he)高分子量交(jiao)聯(lián)劑的(de)序貫反應(yīng)(ying)，構(gòu)建了化(hua)學(xué)雙交聯(lián)(lian)纖維素(su)水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了相(xiang)對(duì)短(duan)鏈和長(zhǎng)鏈的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他們提(ti)出了ＤＣＨ 的加固機(jī)(ji)理，短鏈交聯(lián)的(de)斷裂有(you)效地(di)分散(san)了機(jī)械能(neng)量，而長(zhǎng)鏈(lian)交聯(lián)維(wei)持了 ＤＣＨ 的彈性，因(yin)此，ＤＣＨ 的(de)大拉(la)伸率達(dá)到(dao)94.5％，此短鏈和長(zhǎng)(zhang)鏈交聯(lián)的(de)雙網(wǎng)絡(luò)對(duì)(dui)纖維素水凝膠(jiao)力學(xué)性能(neng)的提(ti)高起到了重(zhong)要作(zuo)用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等(deng)人在自由基聚(ju)合得到纖維素(su)水凝(ning)膠的基礎(chǔ)上(shang)，將水凝(ning)膠浸入飽(bao)和ＮａＣｌ溶液(ye)中進(jìn)(jin)行物(wu)理交聯(lián)，制備(bei)物化雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao)，其大(da)拉伸(shen)率達(dá)到了236％。值得(de)一提(ti)的是，該水凝膠(jiao)應(yīng)變傳感器(qi)在測(cè)量手臂和(he)手腕的彎曲等(deng)常規(guī)(gui)動(dòng)作(zuo)時(shí)信號(hào)(hao)穩(wěn)定、效果良(liang)好，并在－２０℃時(shí)仍具(ju)有良好的(de)拉伸性能(neng)，為柔性(xing)電子器件(jian)在大范(fan)圍溫(wen)度下(xia)的應(yīng)用提(ti)供了(le)參考。截至目(mu)前，已(yi)有很多關(guān)于物(wu)理或化學(xué)策略(lve)用來(lái)構(gòu)建有(you)效能量耗(hao)散機(jī)制的纖維(wei)素基(ji)水凝膠的(de)研究(jiu)。已報(bào)道的水(shui)凝膠的各(ge)種交聯(lián)(lian)策略及其(qi)拉伸率的對(duì)(dui)應(yīng)關(guān)系如(ru)表１所示。

在交聯(lián)(lian)方法已經(jīng)確定(ding)的情(qing)況下，還可以(yi)通過(guò)設(shè)計(jì)幾(ji)何結(jié)構(gòu)(gou)來(lái)滿足在實(shí)(shi)際應(yīng)用時(shí)的(de)超拉伸要求。常(chang)
見(jiàn)的(de)可拉伸結(jié)構(gòu)(gou)有：島橋、波(bo)浪／皺 紋、紡織(zhi)和剪紙。對(duì)于水(shui)凝膠，常(chang)采用(yong)波浪(lang)結(jié)構(gòu)來(lái)提(ti)升其在(zai)應(yīng)用時(shí)的(de)拉伸率(lv)。以纖維素(su)水凝膠為例(li)，在制備器(qi)件之前，先把水(shui)凝膠進(jìn)行預(yù)拉(la)伸，然后將已(yi)被拉伸(shen)的水凝膠與(yu)其他(ta)器件進(jìn)行(xing)組合，隨(sui)后水凝膠收(shou)縮為波浪(lang)結(jié)構(gòu)(gou)。在施加(jia)應(yīng)變的(de)情況下(xia)，水凝膠可以(yi)產(chǎn)生及時(shí)(shi)充分的(de)形變(bian)且不被破壞，從(cong)而使整個(gè)襯底(di)具備(bei)更強(qiáng)的拉伸(shen)能力。

摘自：《電子皮(pi)膚用(yong)纖維素(su)水凝膠的研究(jiu)進(jìn)展》 微(wei)納電子技術(shù)(shu)