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為了提高(gao)水凝膠拉伸性(xing)能就需要(yao)引入能(neng)量耗散機(jī)制(zhi)，傳統(tǒng)方法有(you)設(shè)計網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(gou)、構(gòu)建復(fù)合材(cai)料和引入微(wei)凝膠增強(qiáng)效應(yīng)(ying)（可視為(wei)兩相復(fù)合凝(ning)膠）。但是(shi)在不引入其他(ta)合成高分子(zi)的情況下(xia)，要提升纖(xian)維素(su)水凝膠的(de)拉伸性能主要(yao)需從交(jiao)聯(lián)策略著手，設(shè)(she)計出能量耗散(san)能力強(qiáng)(qiang)的超拉伸網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)。目前(qian)對于水凝(ning)膠的交聯(lián)(lian)策略(lve)主要有(you)三種：物理(li)交聯(lián)(lian)、化學(xué)(xue)交聯(lián)和雙(shuang)交聯(lián)。常用的(de)物理相互作用(yong)除了氫鍵(jian)外，還有疏(shu)水相互作用(yong)、離子相互作用(yong)和主－客體(ti)相互作用(yong)等。纖(xian)維素鏈(lian)上豐(feng)富的羥(qiang)基與纖(xian)維素的(de)三維立體構(gòu)象(xiang)促使(shi)纖維素水凝膠(jiao)自帶(dai)氫鍵交聯(lián)和(he)鏈間交錯(cuo)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(jun)纖維素，通(tong)過氫鍵(jian)直接(jie)交聯(lián)制備水(shui)凝膠。改性(xing)后的細(xì)菌(jun)纖維素(su)水凝(ning)膠網(wǎng)(wang)絡(luò)致密但(dan)仍清(qing)晰，大(da)拉伸率可達(dá)(da)28.67％。另一方面，纖(xian)維素具(ju)有大量的(de)氫鍵結(jié)(jie)構(gòu)，這在(zai)很大程度上限(xian)制了(le)室溫下它在(zai)水和有機(jī)介質(zhì)(zhi)中的溶解(jie)度。隨著NaOH／尿素水(shui)體系(xi)、Ｎ-甲基(ji)嗎啉-Ｎ-氧化物(wu)水合物、離(li)子液體(ti)等溶劑體系(xi)的開發(fā)，通過(guo)重建(jian)再生纖維素(su)分子間和分(fen)子內(nèi)的氫(qing)鍵，可(ke)以制備再生纖(xian)維素水凝(ning)膠。2019年(nian)，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人(ren)用高(gao)濃度的ZnCl2離子(zi)溶液溶解棉(mian)纖維素，并將離(li)子化合物(wu)（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到纖(xian)維素水凝膠(jiao)網(wǎng)絡(luò)中，得(de)到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配(pei)位鍵組(zu)成的物理交聯(lián)(lian)水凝膠(jiao)，如圖１所示。這(zhe)種新型纖維(wei)素基水(shui)凝膠拉(la)伸率達(dá)(da)到１２０．０％。

為了保(bao)證纖(xian)維素(su)的穩(wěn)(wen)定結(jié)構(gòu)和有(you)效溶脹，凝膠過(guo)程中，一(yi)般會加入化學(xué)(xue)交聯(lián)劑促(cu)進(jìn)三維(wei)網(wǎng)絡(luò)的共
價結(jié)(jie)合。目前報道多(duo)的化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑有環(huán)(huan)氧化物、烷(wan)基鹵(lu)化物和(he)含環(huán)氧鹵化(hua)基團(tuán)(tuan)的化合(he)物等。鹵(lu)代烷(wan)與纖維素反(fan)應(yīng)需要較強(qiáng)的(de)堿性環(huán)境，因(yin)此實(shi)際操作中常用(yong)含環(huán)氧鹵(lu)化基團(tuán)的化(hua)合物 （如(ru)環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷）進(jìn)行化學(xué)(xue)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等(deng)人以豆渣(zha)中提取的纖維(wei)素為原(yuan)料，通過向(xiang)其中加入環(huán)氧(yang)氯丙烷(wan) （ＥＣＨ）與無水葡萄(tao)糖單(dan)元 （ＡＧＵ），制備了(le)具有(you)良好機(jī)(ji)械性能的纖(xian)維素(su)水凝膠。通過改(gai)變水(shui)凝膠的含(han)水量，可調(diào)(diao)節(jié)機(jī)(ji)械性能，其大拉(la)伸率(lv)可達(dá)107％?；?hua)學(xué)交聯(lián)水(shui)凝膠也(ye)可以(yi)在交聯(lián)劑(ji)的存在(zai)下，通過(guo)單體自由(you)基聚(ju)合得到，自由基(ji)聚合具有高反(fan)應(yīng)活(huo)性和對(dui)水環(huán)境的要(yao)求相對溫(wen)和等優(yōu)勢(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過醚化改性在(zai)NaOH／尿素水溶液中(zhong)制備烯丙基(ji)纖維素，再(zai)由熱引發(fā)自由(you)基聚(ju)合得到纖(xian)維素水凝膠(jiao) （ＣＩＨ），其具有高可拉(la)伸性 （拉伸率(lv)126％）。通過合理調(diào)(diao)整化學(xué)交(jiao)聯(lián)密度，還可以(yi)控制水凝(ning)膠的各項性能(neng)。此外，該 ＣＩＨ 可以作(zuo)為可靠和穩(wěn)定(ding)的應(yīng)變傳感(gan)器，并已成功用(yong)于監(jiān)測人類(lei)活動。

雙交聯(lián)水(shui)凝膠具有(you)突出的性(xing)能優(yōu)勢，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等(deng)人利(li)用環(huán)氧氯丙(bing)烷加(jia)氫鍵交聯(lián)(lian)方法制備了雙(shuang)交聯(lián) （ＤＣ）纖維素水(shui)凝膠，如圖(tu)２所示。研究(jiu)了 ＤＣ纖維(wei)素水凝膠中(zhong)化學(xué)交(jiao)聯(lián)域和(he)物理交聯(lián)域(yu)的形成和空(kong)間分布，發(fā)(fa)現(xiàn)環(huán)氧氯丙(bing)烷與葡萄糖(tang)單元的物質(zhì)(zhi)的量(liang)的比和(he)乙醇水溶液(ye)的濃度是調(diào)控(kong) ＤＣ纖維(wei)素水(shui)凝膠(jiao)力學(xué)性(xing)能的兩個關(guān)鍵(jian)參數(shù)。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)設(shè)計了(le)一種綠色(se)路線來制(zhi)備超堅(jian)韌的再生(sheng)纖維素薄(bao)膜，在(zai)堿／尿素水(shui)溶液體系中溶(rong)解纖維素，向其(qi)中直接引入氫(qing)鍵，風(fēng)干后進(jìn)(jin)行結(jié)(jie)構(gòu)致密(mi)化處(chu)理，水凝膠的(de)強(qiáng)度得到(dao)了提高，但拉伸(shen)率僅達(dá)到12.4％。為了(le)得到超拉伸率(lv)的純纖維素(su)水凝膠，再(zai)引入化(hua)學(xué)交聯(lián) （環(huán)氧氯(lv)丙烷）加氫鍵(jian)的組(zu)合形式，使(shi)棉纖維素的拉(la)伸率由(you)僅有(you)氫鍵(jian)交聯(lián)(lian)時的12.4％提升(sheng)到了44.1％。通過長(zhang)短鏈和內(nèi)外(wai)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(ji)，制備(bei)出雙網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)的水凝(ning)膠，外(wai)層短(duan)鏈增加損耗模(mo)量的同時，內(nèi)(nei)層長鏈交錯(cuo)纏繞，大幅度(du)提高了水 凝(ning) 膠 的(de) ?大 拉(la) 伸 率。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)通過纖維(wei)素與低分(fen)子量和高分(fen)子量交聯(lián)劑的(de)序貫反(fan)應(yīng)，構(gòu)建了化(hua)學(xué)雙交聯(lián)纖(xian)維素水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了相對短(duan)鏈和長鏈的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)(wang)絡(luò)。他們(men)提出了ＤＣＨ 的加固(gu)機(jī)理(li)，短鏈(lian)交聯(lián)的斷裂有(you)效地分散(san)了機(jī)械能量(liang)，而長鏈交聯(lián)維(wei)持了(le) ＤＣＨ 的彈性，因此，ＤＣＨ 的(de)大拉(la)伸率(lv)達(dá)到94.5％，此短鏈(lian)和長鏈交聯(lián)的(de)雙網(wǎng)絡(luò)對(dui)纖維素水(shui)凝膠力學(xué)(xue)性能的提高起(qi)到了重要作(zuo)用。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在(zai)自由(you)基聚合得到纖(xian)維素水(shui)凝膠的(de)基礎(chǔ)上，將(jiang)水凝膠浸入(ru)飽和ＮａＣｌ溶液(ye)中進(jìn)(jin)行物理交聯(lián)(lian)，制備(bei)物化(hua)雙交聯(lián)纖(xian)維素(su)水凝膠(jiao)，其大拉(la)伸率達(dá)(da)到了236％。值得(de)一提的是，該(gai)水凝膠應(yīng)(ying)變傳感器(qi)在測量手臂和(he)手腕的(de)彎曲(qu)等常規(guī)(gui)動作時信號穩(wěn)(wen)定、效果良(liang)好，并在(zai)－２０℃時仍具(ju)有良好的拉伸(shen)性能，為柔性(xing)電子器(qi)件在大范(fan)圍溫度下的(de)應(yīng)用提供了參(can)考。截至目(mu)前，已有(you)很多關(guān)于物(wu)理或化學(xué)策(ce)略用來(lai)構(gòu)建有(you)效能量耗散(san)機(jī)制的纖維素(su)基水凝膠(jiao)的研究。已報(bao)道的水(shui)凝膠(jiao)的各種交聯(lián)(lian)策略及(ji)其拉伸(shen)率的對應(yīng)(ying)關(guān)系如(ru)表１所示(shi)。

在交聯(lián)方法(fa)已經(jīng)確定的情(qing)況下，還可以(yi)通過設(shè)計(ji)幾何(he)結(jié)構(gòu)來滿足在(zai)實際應(yīng)用時(shi)的超拉伸(shen)要求。常
見的可(ke)拉伸結(jié)構(gòu)有(you)：島橋、波(bo)浪／皺 紋、紡織和(he)剪紙(zhi)。對于(yu)水凝膠(jiao)，常采用波浪結(jié)(jie)構(gòu)來(lai)提升(sheng)其在應(yīng)用(yong)時的拉(la)伸率。以(yi)纖維素(su)水凝膠(jiao)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(ran)后將已(yi)被拉(la)伸的水凝(ning)膠與(yu)其他器件進(jìn)行(xing)組合，隨后水凝(ning)膠收(shou)縮為(wei)波浪結(jié)(jie)構(gòu)。在施加應(yīng)變(bian)的情況(kuang)下，水凝膠(jiao)可以(yi)產(chǎn)生(sheng)及時充分的(de)形變且不(bu)被破(po)壞，從而使整(zheng)個襯底具備更(geng)強(qiáng)的(de)拉伸(shen)能力。

摘自：《電(dian)子皮(pi)膚用纖維素(su)水凝膠的研(yan)究進(jìn)展》 微納電(dian)子技術(shù)