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為了提高水(shui)凝膠拉伸性(xing)能就(jiu)需要引入(ru)能量耗散(san)機(jī)制，傳(chuan)統(tǒng)方法(fa)有設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建復(fù)合(he)材料和(he)引入(ru)微凝膠(jiao)增強(qiáng)效應(yīng)（可視(shi)為兩相復(fù)合(he)凝膠）。但是在不(bu)引入其他合(he)成高分子的(de)情況(kuang)下，要提升纖(xian)維素水(shui)凝膠的拉伸性(xing)能主要(yao)需從交聯(lián)(lian)策略著手(shou)，設(shè)計(jì)出能(neng)量耗散能(neng)力強(qiáng)的(de)超拉伸網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)。目前對(duì)(dui)于水(shui)凝膠(jiao)的交聯(lián)策略主(zhu)要有三種：物(wu)理交(jiao)聯(lián)、化學(xué)交(jiao)聯(lián)和雙交(jiao)聯(lián)。常(chang)用的物理(li)相互(hu)作用(yong)除了氫(qing)鍵外，還(hai)有疏水(shui)相互作(zuo)用、離子相互(hu)作用和主(zhu)－客體(ti)相互作用(yong)等。纖維(wei)素鏈上豐(feng)富的羥基與纖(xian)維素的三(san)維立(li)體構(gòu)象促使纖(xian)維素水凝(ning)膠自帶(dai)氫鍵交聯(lián)和鏈(lian)間交錯(cuò)纏結(jié)(jie)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導(dǎo)(dao)大腸桿菌產(chǎn)生(sheng)大量(liang)的細(xì)菌纖維素(su)，通過(guò)氫鍵直(zhi)接交聯(lián)制(zhi)備水凝膠(jiao)。改性后(hou)的細(xì)菌纖維素(su)水凝膠網(wǎng)(wang)絡(luò)致(zhi)密但仍清(qing)晰，大拉(la)伸率可達(dá)(da)28.67％。另一方面，纖(xian)維素具有大量(liang)的氫(qing)鍵結(jié)構(gòu)(gou)，這在很大程(cheng)度上限制了(le)室溫(wen)下它在(zai)水和有機(jī)介質(zhì)(zhi)中的溶解度(du)。隨著NaOH／尿(niao)素水體系(xi)、Ｎ-甲基嗎啉-Ｎ-氧(yang)化物(wu)水合物(wu)、離子液體等溶(rong)劑體系的開(kāi)發(fā)(fa)，通過(guò)重(zhong)建再生纖維素(su)分子間(jian)和分子內(nèi)(nei)的氫鍵，可以制(zhi)備再(zai)生纖維素(su)水凝膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人(ren)用高濃度的(de)ZnCl2離子溶液溶解(jie)棉纖維素(su)，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(zhong)，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素(su)配位鍵(jian)組成的物(wu)理交聯(lián)水(shui)凝膠，如圖１所(suo)示。這種新型(xing)纖維(wei)素基水凝膠(jiao)拉伸率達(dá)(da)到１２０．０％。

為了保證纖維(wei)素的穩(wěn)定結(jié)(jie)構(gòu)和(he)有效溶脹，凝膠(jiao)過(guò)程中，一(yi)般會(huì)加入化(hua)學(xué)交聯(lián)劑(ji)促進(jìn)三(san)維網(wǎng)(wang)絡(luò)的共
價(jià)結(jié)(jie)合。目前(qian)報(bào)道多的化學(xué)(xue)交聯(lián)(lian)劑有環(huán)(huan)氧化物、烷(wan)基鹵化物和(he)含環(huán)(huan)氧鹵化基團(tuán)的(de)化合物等。鹵(lu)代烷與纖維素(su)反應(yīng)需要(yao)較強(qiáng)的(de)堿性環(huán)境，因(yin)此實(shí)際操作(zuo)中常用含環(huán)氧(yang)鹵化基團(tuán)的化(hua)合物 （如環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷）進(jìn)(jin)行化學(xué)交聯(lián)。2019年(nian)，Ｘ．Ｃｕｉ等人以豆(dou)渣中提取的(de)纖維素(su)為原料，通過(guò)(guo)向其中加(jia)入環(huán)氧氯丙(bing)烷 （ＥＣＨ）與無(wú)水葡萄(tao)糖單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了(le)具有良好(hao)機(jī)械性能的(de)纖維素水凝(ning)膠。通過(guò)改(gai)變水凝膠(jiao)的含水量(liang)，可調(diào)(diao)節(jié)機(jī)(ji)械性(xing)能，其(qi)大拉伸率可達(dá)(da)107％?；瘜W(xué)交(jiao)聯(lián)水凝膠(jiao)也可以在(zai)交聯(lián)劑的(de)存在下，通過(guò)單(dan)體自由(you)基聚(ju)合得到(dao)，自由基聚(ju)合具有(you)高反應(yīng)(ying)活性和對(duì)水環(huán)(huan)境的要(yao)求相對(duì)溫和(he)等優(yōu)勢(shì)。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過(guò)醚化(hua)改性(xing)在NaOH／尿素水(shui)溶液中制備(bei)烯丙(bing)基纖(xian)維素，再由熱(re)引發(fā)(fa)自由(you)基聚合(he)得到纖維素水(shui)凝膠 （ＣＩＨ），其具(ju)有高(gao)可拉(la)伸性 （拉伸率126％）。通(tong)過(guò)合理調(diào)整化(hua)學(xué)交聯(lián)密度(du)，還可(ke)以控制水凝膠(jiao)的各項(xiàng)性(xing)能。此外(wai)，該 ＣＩＨ 可以作(zuo)為可靠和穩(wěn)(wen)定的應(yīng)變(bian)傳感器，并(bing)已成(cheng)功用(yong)于監(jiān)測(cè)人類活(huo)動(dòng)。

雙交聯(lián)水(shui)凝膠具(ju)有突出的性(xing)能優(yōu)勢(shì)，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用環(huán)(huan)氧氯丙烷加(jia)氫鍵交聯(lián)方(fang)法制(zhi)備了雙交聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素水凝膠(jiao)，如圖２所(suo)示。研(yan)究了 ＤＣ纖維素(su)水凝膠中化(hua)學(xué)交聯(lián)域和(he)物理(li)交聯(lián)域(yu)的形成和空(kong)間分布，發(fā)現(xiàn)(xian)環(huán)氧氯丙烷與(yu)葡萄(tao)糖單元(yuan)的物質(zhì)(zhi)的量(liang)的比和(he)乙醇水溶液的(de)濃度是調(diào)控 ＤＣ纖(xian)維素(su)水凝膠力學(xué)(xue)性能的兩個(gè)(ge)關(guān)鍵參數(shù)。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(shè)(she)計(jì)了一種綠(lv)色路線來(lái)(lai)制備超堅(jiān)韌(ren)的再生(sheng)纖維素薄(bao)膜，在堿(jian)／尿素水溶液體(ti)系中溶解(jie)纖維素，向(xiang)其中直接引入(ru)氫鍵，風(fēng)干后進(jìn)(jin)行結(jié)構(gòu)致密化(hua)處理，水(shui)凝膠的(de)強(qiáng)度(du)得到(dao)了提高，但(dan)拉伸率(lv)僅達(dá)到12.4％。為了得(de)到超拉伸率(lv)的純纖維(wei)素水凝(ning)膠，再(zai)引入化學(xué)交聯(lián)(lian) （環(huán)氧氯丙(bing)烷）加氫(qing)鍵的組合形(xing)式，使棉纖(xian)維素的拉伸率(lv)由僅有氫鍵交(jiao)聯(lián)時(shí)的12.4％提升(sheng)到了(le)44.1％。通過(guò)長(zhǎng)短(duan)鏈和(he)內(nèi)外層(ceng)結(jié)構(gòu)(gou)設(shè)計(jì)，制備(bei)出雙網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)的水凝(ning)膠，外層(ceng)短鏈增加(jia)損耗模量(liang)的同時(shí)，內(nèi)層(ceng)長(zhǎng)鏈交錯(cuò)纏(chan)繞，大幅度(du)提高了(le)水 凝 膠 的(de) ?大 拉 伸 率(lv)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過(guò)纖(xian)維素與低(di)分子量(liang)和高分子量(liang)交聯(lián)劑的序(xu)貫反應(yīng)，構(gòu)建了(le)化學(xué)雙交聯(lián)(lian)纖維(wei)素水(shui)凝膠 （ＤＣＨ），得到(dao)了相對(duì)短鏈和(he)長(zhǎng)鏈的交聯(lián)網(wǎng)(wang)絡(luò)。他(ta)們提出了ＤＣＨ 的加(jia)固機(jī)理(li)，短鏈(lian)交聯(lián)的斷裂有(you)效地分散了(le)機(jī)械能量，而長(zhǎng)(zhang)鏈交聯(lián)(lian)維持了 ＤＣＨ 的彈(dan)性，因此，ＤＣＨ 的大(da)拉伸(shen)率達(dá)到94.5％，此短(duan)鏈和長(zhǎng)鏈交(jiao)聯(lián)的(de)雙網(wǎng)絡(luò)對(duì)纖(xian)維素(su)水凝(ning)膠力學(xué)(xue)性能的提高起(qi)到了重要(yao)作用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在(zai)自由基聚合得(de)到纖維素水(shui)凝膠的基(ji)礎(chǔ)上(shang)，將水凝(ning)膠浸入飽和(he)ＮａＣｌ溶液中進(jìn)(jin)行物理交聯(lián)，制(zhi)備物(wu)化雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao)，其大拉伸(shen)率達(dá)到了236％。值得(de)一提的是，該水(shui)凝膠應(yīng)變(bian)傳感(gan)器在測(cè)(ce)量手臂和(he)手腕的(de)彎曲等常規(guī)(gui)動(dòng)作時(shí)(shi)信號(hào)穩(wěn)定、效果(guo)良好，并在－２０℃時(shí)(shi)仍具有良好的(de)拉伸(shen)性能，為柔性(xing)電子器件在(zai)大范圍溫度(du)下的應(yīng)用提供(gong)了參考。截至(zhi)目前，已有(you)很多關(guān)于物理(li)或化學(xué)策略(lve)用來(lái)構(gòu)建有(you)效能(neng)量耗(hao)散機(jī)(ji)制的(de)纖維(wei)素基(ji)水凝膠的研究(jiu)。已報(bào)道的(de)水凝膠的各種(zhong)交聯(lián)策(ce)略及其拉伸率(lv)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(xi)如表１所示(shi)。

在交聯(lián)方(fang)法已經(jīng)確定(ding)的情況下，還(hai)可以通(tong)過(guò)設(shè)計(jì)幾(ji)何結(jié)構(gòu)來(lái)滿(man)足在(zai)實(shí)際(ji)應(yīng)用時(shí)(shi)的超拉伸要(yao)求。常
見(jiàn)的(de)可拉伸結(jié)(jie)構(gòu)有：島(dao)橋、波(bo)浪／皺 紋、紡織(zhi)和剪紙。對(duì)于水(shui)凝膠，常采用波(bo)浪結(jié)構(gòu)(gou)來(lái)提升其在應(yīng)(ying)用時(shí)(shi)的拉(la)伸率。以(yi)纖維素(su)水凝膠為例，在(zai)制備器件之(zhi)前，先把水凝(ning)膠進(jìn)行預(yù)拉(la)伸，然(ran)后將已被拉(la)伸的水凝(ning)膠與其他器(qi)件進(jìn)(jin)行組合，隨后水(shui)凝膠(jiao)收縮為(wei)波浪(lang)結(jié)構(gòu)。在施加(jia)應(yīng)變(bian)的情況下，水凝(ning)膠可以產(chǎn)生(sheng)及時(shí)充分的(de)形變且(qie)不被破壞，從(cong)而使整(zheng)個(gè)襯底(di)具備更強(qiáng)(qiang)的拉伸(shen)能力。

摘自：《電子皮膚(fu)用纖維素水凝(ning)膠的研究進(jìn)(jin)展》 微納電子技(ji)術(shù)