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為了提(ti)高水凝膠拉(la)伸性能(neng)就需要(yao)引入能量耗(hao)散機(jī)制，傳(chuan)統(tǒng)方法有設(shè)計(jì)(ji)網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建復(fù)合(he)材料和引入(ru)微凝膠(jiao)增強(qiáng)效應(yīng)（可視(shi)為兩相復(fù)合凝(ning)膠）。但是在不引(yin)入其他合(he)成高分子的(de)情況下，要(yao)提升纖(xian)維素水凝膠(jiao)的拉伸性(xing)能主要需(xu)從交聯(lián)策略著(zhe)手，設(shè)計(jì)出(chu)能量耗散能力(li)強(qiáng)的超拉伸網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前對(dui)于水(shui)凝膠(jiao)的交聯(lián)策略(lve)主要有(you)三種(zhong)：物理交聯(lián)、化學(xué)(xue)交聯(lián)(lian)和雙交聯(lián)。常用(yong)的物理(li)相互作(zuo)用除(chu)了氫(qing)鍵外(wai)，還有疏水(shui)相互作用、離(li)子相互作用和(he)主－客體(ti)相互(hu)作用等。纖維(wei)素鏈(lian)上豐(feng)富的羥基與纖(xian)維素的三維立(li)體構(gòu)象促(cu)使纖(xian)維素水凝(ning)膠自帶(dai)氫鍵交聯(lián)和(he)鏈間交錯(cuò)(cuo)纏結(jié)(jie)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘導(dǎo)大(da)腸桿(gan)菌產(chǎn)(chan)生大量的細(xì)(xi)菌纖維素，通過(guo)氫鍵直接交(jiao)聯(lián)制備水凝(ning)膠。改性(xing)后的細(xì)菌(jun)纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luò)致密(mi)但仍清晰(xi)，大拉伸(shen)率可(ke)達(dá)28.67％。另一方(fang)面，纖維素具(ju)有大量的氫鍵(jian)結(jié)構(gòu)，這在很(hen)大程(cheng)度上限制了室(shi)溫下(xia)它在水(shui)和有機(jī)(ji)介質(zhì)中(zhong)的溶解度。隨著(zhe)NaOH／尿素(su)水體(ti)系、Ｎ-甲(jia)基嗎啉(lin)-Ｎ-氧化物水合物(wu)、離子液體等(deng)溶劑(ji)體系(xi)的開發(fā)，通(tong)過重建再生(sheng)纖維素(su)分子間和分子(zi)內(nèi)的氫鍵，可(ke)以制備再(zai)生纖維(wei)素水凝膠。2019年(nian)，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用高濃(nong)度的ZnCl2離(li)子溶液溶解棉(mian)纖維素，并將(jiang)離子化合物(wu)（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維素水凝膠(jiao)網(wǎng)絡(luò)中，得(de)到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素配(pei)位鍵(jian)組成的物(wu)理交(jiao)聯(lián)水凝(ning)膠，如圖１所示。這(zhe)種新(xin)型纖維素基水(shui)凝膠(jiao)拉伸(shen)率達(dá)到(dao)１２０．０％。

為了保證(zheng)纖維素的(de)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和(he)有效溶脹，凝膠(jiao)過程中，一般會(huì)(hui)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)道多的(de)化學(xué)交聯(lián)劑有(you)環(huán)氧化物(wu)、烷基鹵化物(wu)和含環(huán)(huan)氧鹵化基團(tuán)的(de)化合物等。鹵代(dai)烷與(yu)纖維素反應(yīng)需(xu)要較強(qiáng)的(de)堿性(xing)環(huán)境(jing)，因此實(shí)際操(cao)作中(zhong)常用含環(huán)氧鹵(lu)化基團(tuán)(tuan)的化合物 （如環(huán)(huan)氧氯丙烷）進(jìn)行(xing)化學(xué)(xue)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等(deng)人以豆渣中(zhong)提取(qu)的纖維素為原(yuan)料，通過向(xiang)其中加入環(huán)氧(yang)氯丙烷 （ＥＣＨ）與無水(shui)葡萄糖單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了(le)具有良(liang)好機(jī)械性(xing)能的纖維素(su)水凝膠。通過(guo)改變水凝膠(jiao)的含水量(liang)，可調(diào)(diao)節(jié)機(jī)(ji)械性能，其大拉(la)伸率(lv)可達(dá)107％?；瘜W(xué)交聯(lián)(lian)水凝膠(jiao)也可以在交(jiao)聯(lián)劑的存(cun)在下，通過(guo)單體自由基聚(ju)合得到，自(zi)由基聚合(he)具有高反應(yīng)活(huo)性和對水環(huán)境(jing)的要(yao)求相對溫(wen)和等(deng)優(yōu)勢。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過醚(mi)化改性(xing)在NaOH／尿素水(shui)溶液(ye)中制備烯丙(bing)基纖維素，再由(you)熱引發(fā)自由基(ji)聚合(he)得到纖維素(su)水凝膠 （ＣＩＨ），其(qi)具有高可拉(la)伸性 （拉伸率126％）。通(tong)過合(he)理調(diào)整化學(xué)(xue)交聯(lián)(lian)密度，還(hai)可以控(kong)制水(shui)凝膠的各項(xiàng)性(xing)能。此(ci)外，該(gai) ＣＩＨ 可以作(zuo)為可靠和(he)穩(wěn)定的應(yīng)變(bian)傳感器(qi)，并已(yi)成功用于(yu)監(jiān)測(ce)人類活動(dòng)。

雙交聯(lián)(lian)水凝膠(jiao)具有突出(chu)的性能優(yōu)勢，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利(li)用環(huán)氧(yang)氯丙烷加(jia)氫鍵交聯(lián)(lian)方法制(zhi)備了雙(shuang)交聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素(su)水凝膠，如圖(tu)２所示。研究(jiu)了 ＤＣ纖(xian)維素(su)水凝膠中化學(xué)(xue)交聯(lián)域和物(wu)理交聯(lián)(lian)域的形成(cheng)和空間(jian)分布，發(fā)現(xiàn)(xian)環(huán)氧氯(lv)丙烷與葡萄糖(tang)單元的物質(zhì)的(de)量的比和乙醇(chun)水溶液的濃度(du)是調(diào)控 ＤＣ纖(xian)維素水凝膠(jiao)力學(xué)(xue)性能(neng)的兩個(gè)關(guān)鍵參(can)數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)設(shè)計(jì)了一(yi)種綠色路(lu)線來制備(bei)超堅(jiān)(jian)韌的再生(sheng)纖維素薄(bao)膜，在堿(jian)／尿素水(shui)溶液體系中(zhong)溶解(jie)纖維(wei)素，向(xiang)其中直(zhi)接引入氫(qing)鍵，風(fēng)干(gan)后進(jìn)行結(jié)構(gòu)(gou)致密化處(chu)理，水凝膠的強(qiáng)(qiang)度得(de)到了提高，但(dan)拉伸(shen)率僅(jin)達(dá)到12.4％。為了得(de)到超拉伸(shen)率的純纖(xian)維素水凝(ning)膠，再引入化(hua)學(xué)交聯(lián) （環(huán)(huan)氧氯丙(bing)烷）加氫鍵的組(zu)合形(xing)式，使棉纖(xian)維素的拉伸(shen)率由僅有(you)氫鍵交(jiao)聯(lián)時(shí)的12.4％提升(sheng)到了44.1％。通(tong)過長短鏈和內(nèi)(nei)外層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(ji)，制備出雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水(shui)凝膠，外(wai)層短鏈增(zeng)加損(sun)耗模量(liang)的同時(shí)，內(nèi)層長(zhang)鏈交(jiao)錯(cuò)纏繞(rao)，大幅度提高(gao)了水 凝 膠 的 ?大(da) 拉 伸 率。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過纖(xian)維素(su)與低(di)分子量和高(gao)分子量交聯(lián)(lian)劑的序貫反應(yīng)(ying)，構(gòu)建了(le)化學(xué)雙(shuang)交聯(lián)纖維素(su)水凝膠 （ＤＣＨ），得到(dao)了相(xiang)對短鏈(lian)和長鏈的(de)交聯(lián)(lian)網(wǎng)絡(luò)。他(ta)們提出了ＤＣＨ 的(de)加固機(jī)理，短鏈(lian)交聯(lián)的(de)斷裂(lie)有效(xiao)地分散(san)了機(jī)(ji)械能(neng)量，而長鏈交聯(lián)(lian)維持了 ＤＣＨ 的彈性(xing)，因此，ＤＣＨ 的大拉伸(shen)率達(dá)到94.5％，此短(duan)鏈和長鏈交(jiao)聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)(luo)對纖(xian)維素水凝膠(jiao)力學(xué)性(xing)能的提高(gao)起到了重要(yao)作用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在(zai)自由基聚(ju)合得到纖維(wei)素水凝(ning)膠的基(ji)礎(chǔ)上，將(jiang)水凝膠浸(jin)入飽和(he)ＮａＣｌ溶液中(zhong)進(jìn)行(xing)物理交聯(lián)，制(zhi)備物化(hua)雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao)，其大拉伸率達(dá)(da)到了236％。值得(de)一提(ti)的是，該水凝膠(jiao)應(yīng)變傳感器在(zai)測量手臂(bi)和手腕的(de)彎曲等常規(guī)動(dòng)(dong)作時(shí)信號(hào)穩(wěn)定(ding)、效果良好，并(bing)在－２０℃時(shí)仍(reng)具有良(liang)好的拉(la)伸性能，為柔性(xing)電子器件(jian)在大范圍(wei)溫度下(xia)的應(yīng)用(yong)提供了參考(kao)。截至目前(qian)，已有(you)很多關(guān)于物(wu)理或(huo)化學(xué)策略(lve)用來(lai)構(gòu)建有效(xiao)能量耗散(san)機(jī)制的纖(xian)維素基水(shui)凝膠的(de)研究(jiu)。已報(bào)(bao)道的(de)水凝膠的各種(zhong)交聯(lián)策略及其(qi)拉伸率的對(dui)應(yīng)關(guān)系如表１所(suo)示。

在交聯(lián)方(fang)法已經(jīng)確定的(de)情況(kuang)下，還可(ke)以通過設(shè)(she)計(jì)幾(ji)何結(jié)構(gòu)來滿足(zu)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)(shi)的超(chao)拉伸(shen)要求。常(chang)
見的(de)可拉伸結(jié)(jie)構(gòu)有：島(dao)橋、波(bo)浪／皺(zhou) 紋、紡(fang)織和剪紙(zhi)。對于水凝(ning)膠，常采用波(bo)浪結(jié)(jie)構(gòu)來提升其(qi)在應(yīng)(ying)用時(shí)的拉伸率(lv)。以纖維(wei)素水凝膠為例(li)，在制(zhi)備器件之(zhi)前，先(xian)把水凝膠進(jìn)(jin)行預(yù)拉伸(shen)，然后將已(yi)被拉伸的水(shui)凝膠(jiao)與其(qi)他器件進(jìn)行(xing)組合，隨(sui)后水凝膠(jiao)收縮為波浪(lang)結(jié)構(gòu)。在施加(jia)應(yīng)變的情況下(xia)，水凝膠可以(yi)產(chǎn)生及時(shí)充分(fen)的形變且不被(bei)破壞，從而(er)使整個(gè)襯(chen)底具(ju)備更強(qiáng)的拉(la)伸能力。

摘自：《電(dian)子皮(pi)膚用纖(xian)維素水凝膠的(de)研究進(jìn)(jin)展》 微納電子(zi)技術(shù)(shu)