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為了(le)提高(gao)水凝膠(jiao)拉伸性(xing)能就需要(yao)引入能量(liang)耗散機制，傳統(tǒng)(tong)方法有設計(ji)網(wǎng)絡結構(gou)、構建(jian)復合材料和引(yin)入微凝(ning)膠增強效(xiao)應（可(ke)視為兩相(xiang)復合凝膠(jiao)）。但是在不引入(ru)其他合成(cheng)高分子的情況(kuang)下，要提升(sheng)纖維素水凝(ning)膠的拉(la)伸性能主(zhu)要需從(cong)交聯(lián)策略著(zhe)手，設(she)計出能(neng)量耗散能(neng)力強的超拉伸(shen)網(wǎng)絡結(jie)構。目前對于(yu)水凝膠的交聯(lián)(lian)策略主要有(you)三種(zhong)：物理交(jiao)聯(lián)、化學(xue)交聯(lián)和雙交聯(lián)(lian)。常用(yong)的物(wu)理相互作用除(chu)了氫(qing)鍵外(wai)，還有疏水相互(hu)作用、離子(zi)相互作用和主(zhu)－客體相互作用(yong)等。纖維素鏈(lian)上豐富的(de)羥基與纖維素(su)的三(san)維立體構象促(cu)使纖維(wei)素水凝膠自帶(dai)氫鍵交聯(lián)和鏈(lian)間交(jiao)錯纏結(jie)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等(deng)人誘導大腸桿(gan)菌產生大量(liang)的細(xi)菌纖維素，通(tong)過氫鍵(jian)直接交聯(lián)制備(bei)水凝膠。改性(xing)后的細菌纖維(wei)素水凝(ning)膠網(wǎng)絡致密但(dan)仍清晰，大拉(la)伸率可達(da)28.67％。另一方面(mian)，纖維素(su)具有(you)大量的(de)氫鍵結構，這(zhe)在很大程(cheng)度上限(xian)制了室溫下(xia)它在水(shui)和有機(ji)介質中(zhong)的溶解度。隨著(zhe)NaOH／尿素(su)水體(ti)系、Ｎ-甲(jia)基嗎啉-Ｎ-氧化(hua)物水合物、離子(zi)液體等(deng)溶劑體系(xi)的開發(fā)，通(tong)過重建再生(sheng)纖維素分(fen)子間和分子內(nei)的氫鍵(jian)，可以制(zhi)備再生纖維(wei)素水凝膠(jiao)。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用(yong)高濃度的ZnCl2離子(zi)溶液(ye)溶解棉纖維素(su)，并將離(li)子化合物(wu)（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維(wei)素水凝(ning)膠網(wǎng)(wang)絡中，得到(dao)Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素配位鍵(jian)組成的物(wu)理交(jiao)聯(lián)水(shui)凝膠，如圖(tu)１所示。這種(zhong)新型纖維素基(ji)水凝膠拉(la)伸率達到１２０．０％。

為了(le)保證纖維(wei)素的穩(wěn)定結構(gou)和有效溶脹，凝(ning)膠過程(cheng)中，一般會加(jia)入化學(xue)交聯(lián)(lian)劑促進(jin)三維(wei)網(wǎng)絡的共
價結合。目前(qian)報道多的(de)化學交聯(lián)(lian)劑有環(huán)氧(yang)化物、烷基(ji)鹵化物(wu)和含(han)環(huán)氧鹵化基(ji)團的化合物(wu)等。鹵代(dai)烷與(yu)纖維素反(fan)應需要較強(qiang)的堿(jian)性環(huán)境，因此(ci)實際操作中(zhong)常用含環(huán)氧鹵(lu)化基(ji)團的(de)化合(he)物 （如環(huán)(huan)氧氯丙(bing)烷）進行化學(xue)交聯(lián)。2019年(nian)，Ｘ．Ｃｕｉ等人以豆渣(zha)中提取的纖(xian)維素為原(yuan)料，通過向其中(zhong)加入環(huán)氧氯(lv)丙烷 （ＥＣＨ）與無水(shui)葡萄糖單元(yuan) （ＡＧＵ），制備了具有良(liang)好機械性能(neng)的纖(xian)維素水凝(ning)膠。通(tong)過改變水凝膠(jiao)的含水量(liang)，可調節(jié)(jie)機械性(xing)能，其大(da)拉伸率可(ke)達107％。化學(xue)交聯(lián)水凝(ning)膠也可以在交(jiao)聯(lián)劑的存在下(xia)，通過(guo)單體自由基聚(ju)合得到，自(zi)由基聚合具有(you)高反應活性和(he)對水環(huán)境的要(yao)求相對溫和等(deng)優(yōu)勢。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過醚化(hua)改性在NaOH／尿(niao)素水溶液中(zhong)制備烯丙(bing)基纖維素(su)，再由熱引(yin)發(fā)自由(you)基聚合得到纖(xian)維素水(shui)凝膠 （ＣＩＨ），其具有(you)高可拉伸性(xing) （拉伸率(lv)126％）。通過合理(li)調整化學交(jiao)聯(lián)密(mi)度，還可以控(kong)制水凝膠的(de)各項性能。此外(wai)，該 ＣＩＨ 可以(yi)作為可靠(kao)和穩(wěn)定的應變(bian)傳感(gan)器，并已成(cheng)功用于(yu)監(jiān)測人類活(huo)動。

雙交聯(lián)水凝膠(jiao)具有突出的性(xing)能優(yōu)勢，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用環(huán)氧氯丙(bing)烷加氫鍵(jian)交聯(lián)方法制備(bei)了雙交(jiao)聯(lián) （ＤＣ）纖維素水凝(ning)膠，如圖２所示。研(yan)究了 ＤＣ纖維素(su)水凝膠中化(hua)學交聯(lián)域和(he)物理交聯(lián)域(yu)的形成和(he)空間分布，發(fā)現(xiàn)(xian)環(huán)氧氯丙(bing)烷與葡萄糖(tang)單元(yuan)的物(wu)質的量的(de)比和乙醇水(shui)溶液的濃度是(shi)調控(kong) ＤＣ纖維素水凝膠(jiao)力學性能的(de)兩個關(guan)鍵參數(shù)(shu)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(she)計了一(yi)種綠色路線(xian)來制備(bei)超堅韌的再(zai)生纖維素薄(bao)膜，在堿／尿素(su)水溶液體系(xi)中溶解纖(xian)維素，向其中(zhong)直接引入氫(qing)鍵，風(feng)干后(hou)進行結構致密(mi)化處理，水凝膠(jiao)的強(qiang)度得(de)到了提(ti)高，但拉伸(shen)率僅達到12.4％。為(wei)了得到(dao)超拉伸率的純(chun)纖維素(su)水凝膠，再引入(ru)化學(xue)交聯(lián)(lian) （環(huán)氧氯丙烷(wan)）加氫鍵的組(zu)合形式，使棉纖(xian)維素(su)的拉伸率由(you)僅有氫鍵交聯(lián)(lian)時的(de)12.4％提升到了44.1％。通過(guo)長短鏈和內外(wai)層結構設計(ji)，制備出(chu)雙網(wǎng)絡結構(gou)的水凝膠，外層(ceng)短鏈增加損(sun)耗模量(liang)的同時(shi)，內層(ceng)長鏈交錯纏(chan)繞，大幅度提高(gao)了水 凝 膠 的(de) ?大 拉 伸 率。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過纖(xian)維素(su)與低分子量和(he)高分子量交聯(lián)(lian)劑的序貫(guan)反應(ying)，構建了化(hua)學雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝(ning)膠 （ＤＣＨ），得到了相對(dui)短鏈和(he)長鏈的交聯(lián)網(wǎng)(wang)絡。他們提出了(le)ＤＣＨ 的加固機理，短(duan)鏈交聯(lián)的斷(duan)裂有效(xiao)地分散(san)了機(ji)械能量，而(er)長鏈交(jiao)聯(lián)維持了 ＤＣＨ 的彈(dan)性，因此，ＤＣＨ 的大拉(la)伸率達到(dao)94.5％，此短鏈和長(zhang)鏈交聯(lián)(lian)的雙網(wǎng)絡對(dui)纖維素(su)水凝膠力(li)學性能的提(ti)高起到了重要(yao)作用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等(deng)人在自由基(ji)聚合得到纖(xian)維素水凝膠的(de)基礎上，將水凝(ning)膠浸入飽和ＮａＣｌ溶(rong)液中進行物理(li)交聯(lián)，制備(bei)物化雙交聯(lián)纖(xian)維素水凝膠(jiao)，其大拉伸率達(da)到了(le)236％。值得一提的(de)是，該(gai)水凝膠應(ying)變傳感器(qi)在測量(liang)手臂和手(shou)腕的(de)彎曲等常規(guī)動(dong)作時(shi)信號(hao)穩(wěn)定、效果(guo)良好，并在－２０℃時仍(reng)具有良好的(de)拉伸性能，為柔(rou)性電子器(qi)件在(zai)大范圍溫度下(xia)的應(ying)用提(ti)供了參考。截(jie)至目前，已有很(hen)多關于物理(li)或化學策(ce)略用來構建有(you)效能量(liang)耗散機制的纖(xian)維素基水(shui)凝膠的研(yan)究。已報道(dao)的水凝膠(jiao)的各(ge)種交(jiao)聯(lián)策(ce)略及其拉伸率(lv)的對應關系如(ru)表１所(suo)示。

在交聯(lián)方法已(yi)經(jīng)確(que)定的(de)情況下，還(hai)可以通過設計(ji)幾何結構來滿(man)足在實際(ji)應用(yong)時的超拉(la)伸要求。常
見的可(ke)拉伸結構有：島(dao)橋、波浪(lang)／皺 紋、紡織和剪(jian)紙。對于(yu)水凝膠，常采用(yong)波浪結構來(lai)提升其在應(ying)用時的拉伸率(lv)。以纖維素(su)水凝(ning)膠為例，在制備(bei)器件之前，先(xian)把水凝膠(jiao)進行預(yu)拉伸，然(ran)后將已被拉伸(shen)的水(shui)凝膠與(yu)其他器件進(jin)行組合，隨(sui)后水(shui)凝膠收縮(suo)為波浪結構。在(zai)施加應變的情(qing)況下，水凝膠可(ke)以產生及(ji)時充分的形變(bian)且不(bu)被破(po)壞，從(cong)而使整(zheng)個襯底(di)具備(bei)更強的拉伸(shen)能力(li)。

摘自：《電子(zi)皮膚(fu)用纖維素(su)水凝膠(jiao)的研究(jiu)進展》 微納(na)電子(zi)技術