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為了提(ti)高水凝(ning)膠拉(la)伸性(xing)能就需要引(yin)入能量耗(hao)散機(jī)制，傳統(tǒng)(tong)方法有設(shè)(she)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(gou)、構(gòu)建復(fù)合(he)材料和引(yin)入微(wei)凝膠增(zeng)強(qiáng)效應(yīng)(ying)（可視為兩相復(fù)(fu)合凝膠）。但是(shi)在不引入(ru)其他合成高(gao)分子的情況下(xia)，要提升纖(xian)維素水凝膠的(de)拉伸性能(neng)主要需(xu)從交聯(lián)策(ce)略著(zhe)手，設(shè)計(jì)出能(neng)量耗散能(neng)力強(qiáng)的超(chao)拉伸網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)。目前對(duì)于水(shui)凝膠的交(jiao)聯(lián)策略主要(yao)有三(san)種：物理(li)交聯(lián)、化(hua)學(xué)交聯(lián)和(he)雙交(jiao)聯(lián)。常用的(de)物理(li)相互(hu)作用除了氫鍵(jian)外，還(hai)有疏水相互作(zuo)用、離(li)子相(xiang)互作用和(he)主－客(ke)體相(xiang)互作用等(deng)。纖維素鏈(lian)上豐富的(de)羥基與(yu)纖維素(su)的三維立(li)體構(gòu)象促使(shi)纖維素(su)水凝膠自帶(dai)氫鍵(jian)交聯(lián)和鏈(lian)間交錯(cuò)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘(you)導(dǎo)大腸(chang)桿菌(jun)產(chǎn)生大量(liang)的細(xì)(xi)菌纖維素，通(tong)過(guò)氫鍵直接交(jiao)聯(lián)制備水凝膠(jiao)。改性后的細(xì)(xi)菌纖維素(su)水凝膠網(wǎng)絡(luò)致(zhi)密但仍(reng)清晰，大拉伸率(lv)可達(dá)28.67％。另一(yi)方面，纖(xian)維素(su)具有大量的氫(qing)鍵結(jié)構(gòu)(gou)，這在很大程(cheng)度上限制了室(shi)溫下它(ta)在水(shui)和有機(jī)(ji)介質(zhì)(zhi)中的溶(rong)解度。隨(sui)著NaOH／尿素(su)水體(ti)系、Ｎ-甲基嗎啉-Ｎ-氧(yang)化物水合(he)物、離子液體等(deng)溶劑體(ti)系的開(kāi)發(fā)，通過(guò)(guo)重建再生纖維(wei)素分子間(jian)和分(fen)子內(nèi)的氫(qing)鍵，可(ke)以制備再(zai)生纖維素水凝(ning)膠。2019年(nian)，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用高濃度(du)的ZnCl2離(li)子溶液溶解(jie)棉纖維(wei)素，并將離子化(hua)合物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luò)中，得(de)到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素(su)配位鍵組成的(de)物理交聯(lián)(lian)水凝(ning)膠，如圖１所(suo)示。這種新型(xing)纖維素基水凝(ning)膠拉(la)伸率達(dá)到１２０．０％。

為了保證(zheng)纖維素的穩(wěn)定(ding)結(jié)構(gòu)(gou)和有效溶脹，凝(ning)膠過(guò)程中，一(yi)般會(huì)加(jia)入化學(xué)交聯(lián)劑(ji)促進(jìn)三(san)維網(wǎng)(wang)絡(luò)的(de)共
價(jià)結(jié)(jie)合。目前報(bào)(bao)道多的化學(xué)(xue)交聯(lián)劑有環(huán)氧(yang)化物、烷基(ji)鹵化(hua)物和含環(huán)氧鹵(lu)化基團(tuán)的(de)化合物等。鹵代(dai)烷與纖維素(su)反應(yīng)需要較(jiao)強(qiáng)的堿(jian)性環(huán)境，因(yin)此實(shí)際操作(zuo)中常用含環(huán)氧(yang)鹵化基(ji)團(tuán)的(de)化合物 （如環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷）進(jìn)行化學(xué)(xue)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人以(yi)豆渣中(zhong)提取的纖(xian)維素為原料(liao)，通過(guò)向(xiang)其中加入環(huán)氧(yang)氯丙烷 （ＥＣＨ）與無(wú)水(shui)葡萄糖單元(yuan) （ＡＧＵ），制備了具有(you)良好機(jī)械性(xing)能的纖維素(su)水凝膠。通過(guò)(guo)改變水(shui)凝膠的含(han)水量，可(ke)調(diào)節(jié)機(jī)(ji)械性能(neng)，其大拉伸率(lv)可達(dá)107％。化(hua)學(xué)交聯(lián)水凝膠(jiao)也可以在交聯(lián)(lian)劑的存(cun)在下，通過(guò)單體(ti)自由基聚合得(de)到，自(zi)由基聚合(he)具有高反應(yīng)(ying)活性和對(duì)水環(huán)(huan)境的要求(qiu)相對(duì)溫和等(deng)優(yōu)勢(shì)。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過(guò)(guo)醚化改性在(zai)NaOH／尿素水溶液中(zhong)制備烯丙基(ji)纖維素，再由(you)熱引發(fā)(fa)自由基聚(ju)合得到纖維(wei)素水(shui)凝膠 （ＣＩＨ），其具(ju)有高可(ke)拉伸性 （拉伸(shen)率126％）。通過(guò)(guo)合理(li)調(diào)整(zheng)化學(xué)交(jiao)聯(lián)密度，還可以(yi)控制水凝膠的(de)各項(xiàng)性能。此外(wai)，該 ＣＩＨ 可以作(zuo)為可靠和穩(wěn)定(ding)的應(yīng)變(bian)傳感器(qi)，并已成功用(yong)于監(jiān)測(cè)人類(lei)活動(dòng)。

雙交聯(lián)(lian)水凝膠具(ju)有突出的性(xing)能優(yōu)(you)勢(shì)，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用(yong)環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷加(jia)氫鍵交聯(lián)方(fang)法制備了(le)雙交(jiao)聯(lián) （ＤＣ）纖維(wei)素水(shui)凝膠，如圖(tu)２所示(shi)。研究了 ＤＣ纖維素(su)水凝膠中(zhong)化學(xué)交(jiao)聯(lián)域和物(wu)理交聯(lián)域(yu)的形(xing)成和空間分布(bu)，發(fā)現(xiàn)環(huán)(huan)氧氯丙(bing)烷與葡萄糖單(dan)元的物質(zhì)的(de)量的比和乙醇(chun)水溶液(ye)的濃度(du)是調(diào)控 ＤＣ纖(xian)維素水凝膠力(li)學(xué)性能的兩個(gè)(ge)關(guān)鍵參數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人設(shè)計(jì)(ji)了一(yi)種綠色路線來(lái)(lai)制備超堅(jiān)韌(ren)的再(zai)生纖(xian)維素薄(bao)膜，在堿／尿素水(shui)溶液體(ti)系中(zhong)溶解纖維(wei)素，向其中直接(jie)引入氫鍵(jian)，風(fēng)干后進(jìn)行(xing)結(jié)構(gòu)致密(mi)化處(chu)理，水凝膠(jiao)的強(qiáng)度(du)得到了(le)提高，但拉伸(shen)率僅達(dá)到12.4％。為(wei)了得到(dao)超拉伸率的(de)純纖(xian)維素(su)水凝(ning)膠，再引入化學(xué)(xue)交聯(lián) （環(huán)氧氯(lv)丙烷(wan)）加氫鍵的組合(he)形式，使棉(mian)纖維素(su)的拉伸率由僅(jin)有氫鍵交(jiao)聯(lián)時(shí)的12.4％提(ti)升到(dao)了44.1％。通過(guò)(guo)長(zhǎng)短(duan)鏈和內(nèi)外(wai)層結(jié)構(gòu)設(shè)(she)計(jì)，制備(bei)出雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)的水(shui)凝膠，外(wai)層短鏈增加損(sun)耗模量的(de)同時(shí)，內(nèi)層長(zhǎng)鏈(lian)交錯(cuò)纏繞，大幅(fu)度提高了水 凝(ning) 膠 的 ?大 拉 伸(shen) 率。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通(tong)過(guò)纖維(wei)素與低(di)分子(zi)量和高分(fen)子量交聯(lián)劑(ji)的序貫反(fan)應(yīng)，構(gòu)建了化學(xué)(xue)雙交聯(lián)纖維素(su)水凝膠 （ＤＣＨ），得到了(le)相對(duì)短鏈(lian)和長(zhǎng)鏈的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他們提(ti)出了ＤＣＨ 的加(jia)固機(jī)理，短鏈交(jiao)聯(lián)的(de)斷裂(lie)有效地分散(san)了機(jī)械能量，而(er)長(zhǎng)鏈交聯(lián)維持(chi)了 ＤＣＨ 的彈(dan)性，因此，ＤＣＨ 的大(da)拉伸率達(dá)到(dao)94.5％，此短(duan)鏈和長(zhǎng)(zhang)鏈交(jiao)聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)對(duì)(dui)纖維素水(shui)凝膠力(li)學(xué)性能(neng)的提(ti)高起(qi)到了(le)重要(yao)作用。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在自(zi)由基聚(ju)合得到纖維(wei)素水凝膠(jiao)的基礎(chǔ)上，將水(shui)凝膠浸入飽和(he)ＮａＣｌ溶液中進(jìn)(jin)行物理(li)交聯(lián)(lian)，制備物化雙交(jiao)聯(lián)纖維(wei)素水凝膠，其大(da)拉伸率(lv)達(dá)到了(le)236％。值得(de)一提的是，該(gai)水凝膠應(yīng)變傳(chuan)感器在測(cè)量手(shou)臂和手腕的(de)彎曲等(deng)常規(guī)(gui)動(dòng)作(zuo)時(shí)信號(hào)穩(wěn)定、效(xiao)果良好，并(bing)在－２０℃時(shí)仍具(ju)有良好的拉(la)伸性能，為柔(rou)性電子器(qi)件在大范圍(wei)溫度(du)下的應(yīng)用提供(gong)了參考。截至(zhi)目前，已有很(hen)多關(guān)(guan)于物(wu)理或(huo)化學(xué)策略(lve)用來(lái)構(gòu)建有效(xiao)能量(liang)耗散機(jī)(ji)制的纖維(wei)素基水凝膠(jiao)的研(yan)究。已報(bào)道的水(shui)凝膠的各種交(jiao)聯(lián)策(ce)略及其(qi)拉伸率的對(duì)(dui)應(yīng)關(guān)系如(ru)表１所示。

在交聯(lián)方(fang)法已經(jīng)確定(ding)的情況下，還(hai)可以通過(guò)設(shè)(she)計(jì)幾何結(jié)(jie)構(gòu)來(lái)(lai)滿足在實(shí)際應(yīng)(ying)用時(shí)的超拉伸(shen)要求。常
見(jiàn)的可(ke)拉伸(shen)結(jié)構(gòu)有(you)：島橋、波浪／皺(zhou) 紋、紡織(zhi)和剪紙。對(duì)(dui)于水凝膠，常采(cai)用波浪結(jié)構(gòu)來(lái)(lai)提升其在應(yīng)(ying)用時(shí)的拉伸(shen)率。以纖維(wei)素水(shui)凝膠為例，在制(zhi)備器件之(zhi)前，先把(ba)水凝膠進(jìn)行預(yù)(yu)拉伸(shen)，然后將已(yi)被拉(la)伸的水凝膠與(yu)其他(ta)器件進(jìn)行(xing)組合(he)，隨后(hou)水凝膠收縮為(wei)波浪結(jié)構(gòu)。在(zai)施加應(yīng)變(bian)的情況下，水(shui)凝膠可以(yi)產(chǎn)生及時(shí)(shi)充分的形變且(qie)不被破壞，從(cong)而使整個(gè)襯(chen)底具備(bei)更強(qiáng)的拉(la)伸能力。

摘自：《電子(zi)皮膚(fu)用纖(xian)維素水凝(ning)膠的(de)研究進(jìn)(jin)展》 微納電(dian)子技(ji)術(shù)