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為了提高(gao)水凝膠(jiao)拉伸(shen)性能(neng)就需要引入(ru)能量耗散(san)機制，傳統(tǒng)方法(fa)有設(shè)計網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建復(fù)(fu)合材(cai)料和引入微凝(ning)膠增強效(xiao)應(yīng)（可(ke)視為兩相復(fù)合(he)凝膠(jiao)）。但是在(zai)不引入(ru)其他合成高分(fen)子的情(qing)況下，要提升(sheng)纖維素水凝(ning)膠的拉伸性能(neng)主要需從(cong)交聯(lián)策(ce)略著手(shou)，設(shè)計(ji)出能量耗散(san)能力強的超(chao)拉伸網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)。目前對于水(shui)凝膠的交(jiao)聯(lián)策(ce)略主(zhu)要有三種：物理(li)交聯(lián)、化學(xué)交(jiao)聯(lián)和(he)雙交聯(lián)。常(chang)用的物理相(xiang)互作用除了(le)氫鍵外，還(hai)有疏水相互(hu)作用、離子相互(hu)作用和(he)主－客(ke)體相互作用等(deng)。纖維(wei)素鏈上豐(feng)富的(de)羥基與纖(xian)維素的三維(wei)立體構(gòu)象促使(shi)纖維素水凝膠(jiao)自帶(dai)氫鍵(jian)交聯(lián)和鏈(lian)間交錯(cuo)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導(dǎo)大(da)腸桿(gan)菌產(chǎn)生大(da)量的細菌纖維(wei)素，通過氫鍵(jian)直接交聯(lián)制(zhi)備水凝膠(jiao)。改性后(hou)的細菌纖維素(su)水凝(ning)膠網(wǎng)(wang)絡(luò)致密(mi)但仍清(qing)晰，大拉伸(shen)率可達(da)28.67％。另一方面(mian)，纖維素(su)具有大量的(de)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)在水和(he)有機(ji)介質(zhì)(zhi)中的溶解度。隨(sui)著NaOH／尿素水體(ti)系、Ｎ-甲基嗎(ma)啉-Ｎ-氧化物水合(he)物、離子液體(ti)等溶劑體系的(de)開發(fā)，通過(guo)重建(jian)再生纖維素分(fen)子間(jian)和分子內(nèi)的氫(qing)鍵，可以制(zhi)備再(zai)生纖維素水凝(ning)膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等(deng)人用高濃度(du)的ZnCl2離(li)子溶液(ye)溶解棉纖維(wei)素，并將離子化(hua)合物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到纖(xian)維素水凝膠網(wǎng)(wang)絡(luò)中，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配位鍵(jian)組成的物理(li)交聯(lián)水凝膠(jiao)，如圖(tu)１所示。這種新(xin)型纖維素(su)基水凝膠(jiao)拉伸率達(da)到１２０．０％。

為了保(bao)證纖維(wei)素的(de)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和有(you)效溶脹(zhang)，凝膠過程中(zhong)，一般(ban)會加入化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑(ji)促進(jin)三維網(wǎng)絡(luò)的共(gong)
價結(jié)(jie)合。目前報道多(duo)的化學(xué)交聯(lián)劑(ji)有環(huán)氧化物、烷(wan)基鹵化物(wu)和含環(huán)氧(yang)鹵化基團的(de)化合物等(deng)。鹵代烷與纖(xian)維素反(fan)應(yīng)需要較強的(de)堿性環(huán)境，因(yin)此實際操(cao)作中常用含(han)環(huán)氧(yang)鹵化基(ji)團的化(hua)合物 （如(ru)環(huán)氧氯丙烷(wan)）進行化學(xué)(xue)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人(ren)以豆渣中(zhong)提取(qu)的纖維(wei)素為原料，通過(guo)向其中加(jia)入環(huán)(huan)氧氯丙烷 （ＥＣＨ）與(yu)無水葡萄(tao)糖單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了具有(you)良好(hao)機械性能的(de)纖維(wei)素水凝膠(jiao)。通過改變水(shui)凝膠的含(han)水量，可調(diào)節(jié)機(ji)械性(xing)能，其大拉(la)伸率可達107％?；?hua)學(xué)交聯(lián)水凝膠(jiao)也可以在(zai)交聯(lián)劑(ji)的存(cun)在下，通過單(dan)體自由基聚(ju)合得到(dao)，自由基聚(ju)合具(ju)有高反應(yīng)活性(xing)和對水環(huán)(huan)境的要求相對(dui)溫和等(deng)優(yōu)勢(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過醚化改性在(zai)NaOH／尿素水溶(rong)液中制(zhi)備烯丙基(ji)纖維素，再由(you)熱引發(fā)自(zi)由基聚合得到(dao)纖維素(su)水凝膠(jiao) （ＣＩＨ），其具有(you)高可拉(la)伸性(xing) （拉伸率126％）。通過(guo)合理調(diào)整化學(xué)(xue)交聯(lián)密度(du)，還可以控制(zhi)水凝膠的各項(xiang)性能。此外(wai)，該 ＣＩＨ 可以作(zuo)為可(ke)靠和(he)穩(wěn)定(ding)的應(yīng)變傳感(gan)器，并已(yi)成功用于(yu)監(jiān)測人類活動(dong)。

雙交聯(lián)水凝膠(jiao)具有突出的(de)性能(neng)優(yōu)勢，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用環(huán)(huan)氧氯丙烷(wan)加氫鍵交聯(lián)方(fang)法制(zhi)備了雙交聯(lián)(lian) （ＤＣ）纖維素水(shui)凝膠，如圖(tu)２所示。研究了(le) ＤＣ纖維素(su)水凝膠中化學(xué)(xue)交聯(lián)域和(he)物理交聯(lián)域的(de)形成和空(kong)間分布，發(fā)現(xiàn)環(huán)(huan)氧氯丙烷與葡(pu)萄糖單元的物(wu)質(zhì)的量的比(bi)和乙(yi)醇水溶(rong)液的濃(nong)度是調(diào)(diao)控 ＤＣ纖維素水凝(ning)膠力(li)學(xué)性能的兩個(ge)關(guān)鍵(jian)參數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人設(shè)計(ji)了一種(zhong)綠色路線(xian)來制備(bei)超堅韌的再生(sheng)纖維素(su)薄膜，在(zai)堿／尿素水溶(rong)液體系(xi)中溶解(jie)纖維素(su)，向其中直(zhi)接引入氫鍵，風(fēng)(feng)干后進(jin)行結(jié)(jie)構(gòu)致密化(hua)處理，水凝膠(jiao)的強(qiang)度得到了(le)提高(gao)，但拉伸率僅達(da)到12.4％。為了得到(dao)超拉伸率(lv)的純纖維(wei)素水凝(ning)膠，再引入化(hua)學(xué)交聯(lián)(lian) （環(huán)氧氯(lv)丙烷）加(jia)氫鍵的組合(he)形式，使(shi)棉纖維素(su)的拉伸率由僅(jin)有氫鍵交聯(lián)(lian)時的(de)12.4％提升到(dao)了44.1％。通過(guo)長短鏈(lian)和內(nèi)外(wai)層結(jié)(jie)構(gòu)設(shè)計，制備出(chu)雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(gou)的水凝膠，外層(ceng)短鏈增加損耗(hao)模量(liang)的同時，內(nèi)(nei)層長鏈交錯纏(chan)繞，大(da)幅度(du)提高(gao)了水 凝(ning) 膠 的(de) ?大 拉 伸 率。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過纖維(wei)素與(yu)低分子量和(he)高分子(zi)量交聯(lián)(lian)劑的序貫反應(yīng)(ying)，構(gòu)建了化學(xué)(xue)雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了(le)相對短鏈和長(zhang)鏈的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(luo)。他們提(ti)出了ＤＣＨ 的加固(gu)機理(li)，短鏈(lian)交聯(lián)的斷裂(lie)有效地分散(san)了機械(xie)能量，而長(zhang)鏈交聯(lián)維持了(le) ＤＣＨ 的彈性(xing)，因此，ＤＣＨ 的大拉(la)伸率達到(dao)94.5％，此短鏈(lian)和長鏈交聯(lián)(lian)的雙網(wǎng)(wang)絡(luò)對(dui)纖維素水(shui)凝膠力學(xué)性(xing)能的提高(gao)起到(dao)了重要作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在自(zi)由基聚合得(de)到纖維素(su)水凝膠的基礎(chǔ)(chu)上，將水凝膠(jiao)浸入(ru)飽和ＮａＣｌ溶液(ye)中進行物(wu)理交(jiao)聯(lián)，制(zhi)備物化(hua)雙交聯(lián)纖(xian)維素水凝(ning)膠，其大(da)拉伸率達到了(le)236％。值得(de)一提的是，該(gai)水凝膠(jiao)應(yīng)變傳感(gan)器在測(ce)量手臂(bi)和手腕的彎曲(qu)等常規(guī)動作時(shi)信號(hao)穩(wěn)定、效果良(liang)好，并(bing)在－２０℃時仍具有(you)良好的(de)拉伸性(xing)能，為柔(rou)性電子器件(jian)在大范(fan)圍溫度(du)下的應(yīng)用(yong)提供了參考。截(jie)至目前，已有很(hen)多關(guān)于物理(li)或化(hua)學(xué)策略用來構(gòu)(gou)建有效(xiao)能量耗(hao)散機制的纖維(wei)素基水凝膠(jiao)的研究。已(yi)報道(dao)的水(shui)凝膠的(de)各種(zhong)交聯(lián)策略(lve)及其拉(la)伸率的對應(yīng)關(guān)(guan)系如(ru)表１所(suo)示。

在交聯(lián)方(fang)法已經(jīng)確定的(de)情況下，還可(ke)以通過設(shè)(she)計幾何(he)結(jié)構(gòu)來滿足在(zai)實際應(yīng)用時的(de)超拉(la)伸要求。常
見的可拉伸(shen)結(jié)構(gòu)(gou)有：島橋(qiao)、波浪／皺 紋、紡(fang)織和剪(jian)紙。對于水凝(ning)膠，常(chang)采用波浪結(jié)構(gòu)(gou)來提升其(qi)在應(yīng)用時的(de)拉伸率(lv)。以纖維(wei)素水(shui)凝膠為例，在制(zhi)備器件之(zhi)前，先(xian)把水凝膠進行(xing)預(yù)拉伸(shen)，然后將已被(bei)拉伸的水(shui)凝膠與其他(ta)器件進(jin)行組合，隨后水(shui)凝膠收縮(suo)為波浪結(jié)(jie)構(gòu)。在施加應(yīng)變(bian)的情(qing)況下(xia)，水凝膠(jiao)可以產(chǎn)生(sheng)及時充分的(de)形變(bian)且不被破(po)壞，從而(er)使整個襯底(di)具備更(geng)強的拉伸(shen)能力。

摘自：《電(dian)子皮膚用(yong)纖維素水(shui)凝膠的(de)研究(jiu)進展》 微納電子(zi)技術(shù)