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為了提高水凝(ning)膠拉伸性能就(jiu)需要引入能量(liang)耗散機(jī)制(zhi)，傳統(tǒng)方法(fa)有設(shè)計(jì)網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建(jian)復(fù)合材料和(he)引入微凝(ning)膠增強(qiáng)(qiang)效應(yīng)（可視為(wei)兩相復(fù)(fu)合凝膠）。但(dan)是在不引入其(qi)他合成高分子(zi)的情況下，要提(ti)升纖維素(su)水凝膠的拉(la)伸性(xing)能主要需從(cong)交聯(lián)策略(lve)著手，設(shè)計(jì)出能(neng)量耗散(san)能力強(qiáng)(qiang)的超拉伸網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)(gou)。目前對(duì)于水(shui)凝膠的交聯(lián)策(ce)略主要有三(san)種：物理交聯(lián)(lian)、化學(xué)交聯(lián)和(he)雙交聯(lián)。常用的(de)物理(li)相互作用除了(le)氫鍵外，還有疏(shu)水相互作用(yong)、離子相互作(zuo)用和主－客(ke)體相(xiang)互作用(yong)等。纖維素鏈(lian)上豐富(fu)的羥基與纖(xian)維素的(de)三維(wei)立體(ti)構(gòu)象(xiang)促使纖維(wei)素水凝膠自(zi)帶氫鍵交聯(lián)(lian)和鏈(lian)間交錯(cuò)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導(dǎo)大腸(chang)桿菌產(chǎn)生大量(liang)的細(xì)菌纖維(wei)素，通過氫鍵(jian)直接交聯(lián)制(zhi)備水凝膠。改(gai)性后的細(xì)(xi)菌纖維素(su)水凝膠網(wǎng)(wang)絡(luò)致密但仍(reng)清晰，大拉伸率(lv)可達(dá)28.67％。另一方(fang)面，纖維素具(ju)有大量(liang)的氫鍵結(jié)構(gòu)，這(zhe)在很大程度上(shang)限制了室(shi)溫下它在水和(he)有機(jī)(ji)介質(zhì)中的溶解(jie)度。隨著(zhe)NaOH／尿素(su)水體系、Ｎ-甲基(ji)嗎啉-Ｎ-氧化(hua)物水合物(wu)、離子液體(ti)等溶劑(ji)體系的開發(fā)，通(tong)過重建再(zai)生纖維素(su)分子間和分子(zi)內(nèi)的氫鍵，可(ke)以制備再生(sheng)纖維(wei)素水凝膠(jiao)。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用(yong)高濃度的(de)ZnCl2離子溶液(ye)溶解棉纖(xian)維素(su)，并將離子化合(he)物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整(zheng)合到纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luò)中(zhong)，得到(dao)Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素配位鍵(jian)組成的(de)物理交聯(lián)水(shui)凝膠，如圖１所(suo)示。這種新型(xing)纖維素(su)基水凝(ning)膠拉伸(shen)率達(dá)到１２０．０％。

為了保證纖(xian)維素(su)的穩(wěn)定(ding)結(jié)構(gòu)(gou)和有效溶脹，凝(ning)膠過程中，一(yi)般會(huì)加入(ru)化學(xué)交聯(lián)劑促(cu)進(jìn)三維網(wǎng)絡(luò)(luo)的共
價(jià)結(jié)合。目前(qian)報(bào)道(dao)多的化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑有環(huán)(huan)氧化物(wu)、烷基鹵化物和(he)含環(huán)氧鹵化(hua)基團(tuán)的化合物(wu)等。鹵代烷與纖(xian)維素反應(yīng)需要(yao)較強(qiáng)(qiang)的堿性環(huán)境，因(yin)此實(shí)(shi)際操(cao)作中常用(yong)含環(huán)氧鹵(lu)化基(ji)團(tuán)的化合物 （如(ru)環(huán)氧氯丙烷）進(jìn)(jin)行化學(xué)交聯(lián)。2019年(nian)，Ｘ．Ｃｕｉ等人(ren)以豆渣中提取(qu)的纖維素(su)為原料，通(tong)過向其中加入(ru)環(huán)氧氯丙烷(wan) （ＥＣＨ）與無水葡萄糖(tang)單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了具(ju)有良好(hao)機(jī)械性能的(de)纖維素水凝膠(jiao)。通過改變水(shui)凝膠的含水(shui)量，可(ke)調(diào)節(jié)(jie)機(jī)械性(xing)能，其大拉(la)伸率可達(dá)107％。化(hua)學(xué)交聯(lián)水凝膠(jiao)也可(ke)以在交聯(lián)劑(ji)的存在下(xia)，通過單體自由(you)基聚合(he)得到，自由基聚(ju)合具有高(gao)反應(yīng)(ying)活性(xing)和對(duì)(dui)水環(huán)境的要(yao)求相對(duì)溫(wen)和等優(yōu)勢(shì)(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過醚(mi)化改(gai)性在NaOH／尿素水溶(rong)液中制備烯丙(bing)基纖維(wei)素，再由熱引(yin)發(fā)自由基聚(ju)合得到(dao)纖維素水凝(ning)膠 （ＣＩＨ），其具有(you)高可拉伸性(xing) （拉伸率126％）。通過(guo)合理(li)調(diào)整化學(xué)交聯(lián)(lian)密度，還可以(yi)控制水凝(ning)膠的(de)各項(xiàng)性能。此(ci)外，該 ＣＩＨ 可(ke)以作為(wei)可靠(kao)和穩(wěn)定的應(yīng)(ying)變傳感器(qi)，并已成功用(yong)于監(jiān)測(cè)(ce)人類活(huo)動(dòng)。

雙交聯(lián)水凝膠(jiao)具有突(tu)出的性(xing)能優(yōu)(you)勢(shì)，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用(yong)環(huán)氧(yang)氯丙烷加氫(qing)鍵交聯(lián)方法制(zhi)備了雙(shuang)交聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素(su)水凝(ning)膠，如(ru)圖２所(suo)示。研究了 ＤＣ纖維(wei)素水凝膠中(zhong)化學(xué)交聯(lián)域(yu)和物理交聯(lián)(lian)域的形(xing)成和空間(jian)分布，發(fā)現(xiàn)環(huán)(huan)氧氯丙烷(wan)與葡萄糖單(dan)元的物質(zhì)的(de)量的(de)比和乙醇水(shui)溶液的濃度是(shi)調(diào)控 ＤＣ纖維素(su)水凝膠力(li)學(xué)性能的兩(liang)個(gè)關(guān)(guan)鍵參數(shù)。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(shè)計(jì)(ji)了一種綠色路(lu)線來制備超(chao)堅(jiān)韌的再生(sheng)纖維素薄膜(mo)，在堿／尿(niao)素水(shui)溶液體系中(zhong)溶解(jie)纖維素，向其中(zhong)直接引入氫鍵(jian)，風(fēng)干后(hou)進(jìn)行(xing)結(jié)構(gòu)(gou)致密化(hua)處理，水凝(ning)膠的(de)強(qiáng)度得(de)到了提高，但(dan)拉伸率僅(jin)達(dá)到12.4％。為了(le)得到超拉(la)伸率的純(chun)纖維素水凝(ning)膠，再引入(ru)化學(xué)交聯(lián) （環(huán)(huan)氧氯(lv)丙烷）加(jia)氫鍵的組合(he)形式，使(shi)棉纖維(wei)素的拉伸率由(you)僅有氫鍵交(jiao)聯(lián)時(shí)(shi)的12.4％提升到了44.1％。通(tong)過長短鏈(lian)和內(nèi)外層(ceng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制(zhi)備出雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(gou)的水凝膠(jiao)，外層短鏈(lian)增加損耗(hao)模量的同(tong)時(shí)，內(nèi)層長鏈(lian)交錯(cuò)纏繞，大幅(fu)度提高了(le)水 凝 膠 的 ?大(da) 拉 伸 率(lv)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過(guo)纖維素與(yu)低分子(zi)量和(he)高分(fen)子量交聯(lián)劑(ji)的序貫(guan)反應(yīng)，構(gòu)建了化(hua)學(xué)雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了(le)相對(duì)短(duan)鏈和長鏈(lian)的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他們(men)提出了ＤＣＨ 的(de)加固機(jī)理，短(duan)鏈交聯(lián)的斷裂(lie)有效地分散了(le)機(jī)械能量，而長(zhang)鏈交聯(lián)(lian)維持了 ＤＣＨ 的彈性(xing)，因此(ci)，ＤＣＨ 的大拉伸率達(dá)(da)到94.5％，此短鏈(lian)和長鏈交聯(lián)的(de)雙網(wǎng)絡(luò)對(duì)(dui)纖維素水凝(ning)膠力學(xué)性能的(de)提高起到(dao)了重要(yao)作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在自由(you)基聚合得到纖(xian)維素水凝膠的(de)基礎(chǔ)(chu)上，將水(shui)凝膠浸入(ru)飽和ＮａＣｌ溶(rong)液中進(jìn)行(xing)物理交聯(lián)，制(zhi)備物化(hua)雙交聯(lián)(lian)纖維(wei)素水(shui)凝膠，其大(da)拉伸率(lv)達(dá)到(dao)了236％。值得一提(ti)的是(shi)，該水(shui)凝膠(jiao)應(yīng)變傳感器(qi)在測(cè)量(liang)手臂和手(shou)腕的彎(wan)曲等常(chang)規(guī)動(dòng)作時(shí)信(xin)號(hào)穩(wěn)(wen)定、效果良(liang)好，并在－２０℃時(shí)(shi)仍具有良好的(de)拉伸性能(neng)，為柔性(xing)電子器件在大(da)范圍溫(wen)度下的(de)應(yīng)用提供了參(can)考。截(jie)至目(mu)前，已有很(hen)多關(guān)于物理或(huo)化學(xué)(xue)策略用來構(gòu)(gou)建有效能量耗(hao)散機(jī)制的纖維(wei)素基水(shui)凝膠的(de)研究。已報(bào)(bao)道的(de)水凝(ning)膠的各種(zhong)交聯(lián)策(ce)略及(ji)其拉伸(shen)率的對(duì)(dui)應(yīng)關(guān)系(xi)如表(biao)１所示。

在交(jiao)聯(lián)方法已經(jīng)(jing)確定(ding)的情況下，還可(ke)以通過設(shè)計(jì)幾(ji)何結(jié)構(gòu)來滿足(zu)在實(shí)際(ji)應(yīng)用時(shí)(shi)的超拉伸要(yao)求。常(chang)
見的(de)可拉伸結(jié)構(gòu)(gou)有：島橋(qiao)、波浪(lang)／皺 紋、紡織和剪(jian)紙。對(duì)于水凝膠(jiao)，常采用波(bo)浪結(jié)(jie)構(gòu)來提(ti)升其在應(yīng)用(yong)時(shí)的拉伸(shen)率。以纖(xian)維素水凝膠(jiao)為例(li)，在制備器(qi)件之前，先(xian)把水(shui)凝膠進(jìn)(jin)行預(yù)拉伸，然后(hou)將已被拉伸(shen)的水(shui)凝膠與其他(ta)器件進(jìn)行組合(he)，隨后(hou)水凝膠(jiao)收縮為波浪(lang)結(jié)構(gòu)(gou)。在施加應(yīng)變(bian)的情況下，水凝(ning)膠可(ke)以產(chǎn)生及(ji)時(shí)充(chong)分的形變且(qie)不被破壞，從而(er)使整個(gè)襯底具(ju)備更強(qiáng)(qiang)的拉伸能力。

摘自：《電子皮(pi)膚用纖維(wei)素水凝膠的(de)研究進(jìn)展》 微(wei)納電子技術(shù)(shu)