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為了提高(gao)水凝(ning)膠拉伸性能就(jiu)需要引入(ru)能量耗(hao)散機(jī)制(zhi)，傳統(tǒng)方法(fa)有設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)、構(gòu)(gou)建復(fù)合材(cai)料和引入微凝(ning)膠增強(qiáng)效應(yīng)(ying)（可視為兩(liang)相復(fù)合凝(ning)膠）。但是在不引(yin)入其(qi)他合成高(gao)分子的情(qing)況下(xia)，要提(ti)升纖維素水凝(ning)膠的拉伸(shen)性能(neng)主要需從交(jiao)聯(lián)策略著(zhe)手，設(shè)計(jì)(ji)出能量耗散(san)能力強(qiáng)(qiang)的超拉(la)伸網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前對(duì)(dui)于水凝膠的(de)交聯(lián)策略主要(yao)有三種：物理(li)交聯(lián)(lian)、化學(xué)交聯(lián)和(he)雙交聯(lián)(lian)。常用的物理(li)相互作(zuo)用除了(le)氫鍵外，還(hai)有疏水相互作(zuo)用、離(li)子相互作(zuo)用和主－客體相(xiang)互作用等。纖維(wei)素鏈上豐(feng)富的羥基與(yu)纖維素的三維(wei)立體構(gòu)象促(cu)使纖維素(su)水凝膠自帶氫(qing)鍵交聯(lián)(lian)和鏈間交錯(cuò)纏(chan)結(jié)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘(you)導(dǎo)大(da)腸桿菌(jun)產(chǎn)生(sheng)大量的細(xì)菌(jun)纖維素，通過(guò)(guo)氫鍵直接交聯(lián)(lian)制備水凝(ning)膠。改(gai)性后的細(xì)菌(jun)纖維素水凝膠(jiao)網(wǎng)絡(luò)(luo)致密但仍清晰(xi)，大拉伸率可達(dá)(da)28.67％。另一(yi)方面，纖(xian)維素具有大量(liang)的氫鍵結(jié)構(gòu)(gou)，這在很(hen)大程度上限制(zhi)了室溫下它在(zai)水和(he)有機(jī)(ji)介質(zhì)中的(de)溶解度(du)。隨著(zhe)NaOH／尿素(su)水體系、Ｎ-甲(jia)基嗎(ma)啉-Ｎ-氧化物水合(he)物、離子液(ye)體等溶劑(ji)體系的(de)開(kāi)發(fā)，通(tong)過(guò)重建再生纖(xian)維素分子間和(he)分子內(nèi)的(de)氫鍵，可以制(zhi)備再生纖(xian)維素水凝膠。2019年(nian)，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人(ren)用高濃度(du)的ZnCl2離子(zi)溶液溶解棉纖(xian)維素，并將離子(zi)化合物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維素水凝(ning)膠網(wǎng)絡(luò)中，得到(dao)Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素配位鍵(jian)組成的物理交(jiao)聯(lián)水凝膠(jiao)，如圖１所(suo)示。這種新型(xing)纖維素基水(shui)凝膠(jiao)拉伸率(lv)達(dá)到(dao)１２０．０％。

為了保證纖(xian)維素的穩(wěn)定結(jié)(jie)構(gòu)和有效溶脹(zhang)，凝膠過(guò)程中，一(yi)般會(huì)加入化(hua)學(xué)交聯(lián)劑促(cu)進(jìn)三維網(wǎng)(wang)絡(luò)的共
價(jià)結(jié)合。目前報(bào)(bao)道多的化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑有(you)環(huán)氧化物、烷(wan)基鹵化物和(he)含環(huán)氧鹵化(hua)基團(tuán)的化合物(wu)等。鹵代烷與(yu)纖維素(su)反應(yīng)需要(yao)較強(qiáng)的(de)堿性環(huán)(huan)境，因此(ci)實(shí)際(ji)操作中常(chang)用含(han)環(huán)氧(yang)鹵化基團(tuán)(tuan)的化(hua)合物 （如(ru)環(huán)氧氯丙烷(wan)）進(jìn)行化學(xué)交(jiao)聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人(ren)以豆渣(zha)中提(ti)取的纖(xian)維素為原(yuan)料，通過(guò)(guo)向其中加(jia)入環(huán)氧氯(lv)丙烷 （ＥＣＨ）與(yu)無(wú)水葡(pu)萄糖單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了具(ju)有良(liang)好機(jī)械性(xing)能的纖(xian)維素(su)水凝膠。通過(guò)(guo)改變(bian)水凝膠的(de)含水量，可調(diào)(diao)節(jié)機(jī)械性能，其(qi)大拉伸率可達(dá)(da)107％?；瘜W(xué)(xue)交聯(lián)水凝膠也(ye)可以在(zai)交聯(lián)劑(ji)的存在下，通(tong)過(guò)單體自(zi)由基聚(ju)合得(de)到，自由基聚(ju)合具(ju)有高反(fan)應(yīng)活性和對(duì)(dui)水環(huán)境(jing)的要求相對(duì)溫(wen)和等(deng)優(yōu)勢(shì)(shi)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過(guò)醚化(hua)改性在NaOH／尿素水(shui)溶液中制(zhi)備烯丙基(ji)纖維素，再由熱(re)引發(fā)自由基(ji)聚合得(de)到纖維素(su)水凝膠 （ＣＩＨ），其具(ju)有高可拉伸(shen)性 （拉伸率(lv)126％）。通過(guò)合(he)理調(diào)整化學(xué)(xue)交聯(lián)密度，還可(ke)以控制水凝(ning)膠的各項(xiàng)性能(neng)。此外，該(gai) ＣＩＨ 可以作為可(ke)靠和(he)穩(wěn)定的應(yīng)變傳(chuan)感器，并(bing)已成功用(yong)于監(jiān)測(cè)人類(lei)活動(dòng)。

雙交(jiao)聯(lián)水凝膠(jiao)具有突出的(de)性能優(yōu)(you)勢(shì)，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用(yong)環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷加氫鍵交聯(lián)(lian)方法制備了(le)雙交聯(lián) （ＤＣ）纖維(wei)素水凝膠(jiao)，如圖(tu)２所示。研(yan)究了 ＤＣ纖(xian)維素水凝(ning)膠中化(hua)學(xué)交聯(lián)(lian)域和物理交(jiao)聯(lián)域的形(xing)成和空間分布(bu)，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧氯丙(bing)烷與葡萄糖單(dan)元的物質(zhì)的(de)量的比和乙(yi)醇水溶(rong)液的(de)濃度是調(diào)控(kong) ＤＣ纖維素水凝膠(jiao)力學(xué)性能的兩(liang)個(gè)關(guān)鍵(jian)參數(shù)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)設(shè)計(jì)了一(yi)種綠(lv)色路線(xian)來(lái)制(zhi)備超堅(jiān)韌(ren)的再生纖維(wei)素薄(bao)膜，在堿／尿素(su)水溶(rong)液體系(xi)中溶解纖(xian)維素，向(xiang)其中直接引(yin)入氫鍵，風(fēng)(feng)干后(hou)進(jìn)行結(jié)(jie)構(gòu)致(zhi)密化處理，水(shui)凝膠的強(qiáng)度得(de)到了提高(gao)，但拉伸(shen)率僅(jin)達(dá)到12.4％。為(wei)了得到超拉(la)伸率的純纖(xian)維素水凝(ning)膠，再引(yin)入化學(xué)交(jiao)聯(lián) （環(huán)氧氯丙(bing)烷）加(jia)氫鍵的組合(he)形式，使棉纖(xian)維素的(de)拉伸率由僅(jin)有氫(qing)鍵交聯(lián)時(shí)(shi)的12.4％提升到了(le)44.1％。通過(guò)長(zhǎng)短(duan)鏈和內(nèi)(nei)外層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(ji)，制備出雙網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)的水凝(ning)膠，外層短(duan)鏈增加損耗(hao)模量的同時(shí)(shi)，內(nèi)層長(zhǎng)鏈(lian)交錯(cuò)纏繞，大(da)幅度提高(gao)了水 凝 膠 的 ?大(da) 拉 伸(shen) 率。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通過(guò)(guo)纖維素與(yu)低分(fen)子量和高分(fen)子量交(jiao)聯(lián)劑的序貫反(fan)應(yīng)，構(gòu)建了化(hua)學(xué)雙交聯(lián)纖(xian)維素水凝膠 （ＤＣＨ），得(de)到了相對(duì)短(duan)鏈和長(zhǎng)(zhang)鏈的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他們(men)提出了ＤＣＨ 的(de)加固機(jī)理(li)，短鏈交聯(lián)的(de)斷裂有效(xiao)地分散了機(jī)械(xie)能量，而長(zhǎng)鏈交(jiao)聯(lián)維持了(le) ＤＣＨ 的彈性(xing)，因此(ci)，ＤＣＨ 的大拉伸率達(dá)(da)到94.5％，此短鏈和長(zhǎng)(zhang)鏈交聯(lián)的雙網(wǎng)(wang)絡(luò)對(duì)(dui)纖維(wei)素水凝膠(jiao)力學(xué)(xue)性能(neng)的提高(gao)起到(dao)了重要(yao)作用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等(deng)人在自由基(ji)聚合得到纖維(wei)素水凝膠(jiao)的基(ji)礎(chǔ)上，將水(shui)凝膠浸入(ru)飽和ＮａＣｌ溶液(ye)中進(jìn)行物理(li)交聯(lián)(lian)，制備物化(hua)雙交聯(lián)纖維素(su)水凝膠，其大拉(la)伸率達(dá)(da)到了236％。值(zhi)得一(yi)提的是，該水(shui)凝膠(jiao)應(yīng)變傳感(gan)器在測(cè)量手(shou)臂和手腕的彎(wan)曲等常規(guī)(gui)動(dòng)作時(shí)信號(hào)穩(wěn)(wen)定、效(xiao)果良好，并在(zai)－２０℃時(shí)仍(reng)具有良好的拉(la)伸性能(neng)，為柔性電(dian)子器件(jian)在大范圍溫度(du)下的應(yīng)用提(ti)供了參考。截(jie)至目前，已有(you)很多關(guān)于物(wu)理或化學(xué)策(ce)略用來(lái)構(gòu)建(jian)有效能(neng)量耗散機(jī)制(zhi)的纖維素(su)基水凝膠的研(yan)究。已報(bào)道的(de)水凝膠的(de)各種交(jiao)聯(lián)策略及(ji)其拉伸(shen)率的(de)對(duì)應(yīng)(ying)關(guān)系如表１所(suo)示。

在交聯(lián)方法(fa)已經(jīng)確定(ding)的情況下，還可(ke)以通過(guò)設(shè)計(jì)幾(ji)何結(jié)構(gòu)來(lái)滿(man)足在實(shí)際(ji)應(yīng)用時(shí)的超拉(la)伸要求。常(chang)
見(jiàn)的可拉伸結(jié)(jie)構(gòu)有：島橋(qiao)、波浪／皺(zhou) 紋、紡織(zhi)和剪(jian)紙。對(duì)于水凝(ning)膠，常采用(yong)波浪結(jié)構(gòu)(gou)來(lái)提(ti)升其在應(yīng)(ying)用時(shí)的拉伸(shen)率。以(yi)纖維素水(shui)凝膠(jiao)為例，在制備(bei)器件之前，先(xian)把水凝膠進(jìn)行(xing)預(yù)拉(la)伸，然后將已(yi)被拉伸(shen)的水凝(ning)膠與其他(ta)器件進(jìn)(jin)行組合，隨后(hou)水凝(ning)膠收(shou)縮為波浪結(jié)構(gòu)(gou)。在施加應(yīng)變(bian)的情況下(xia)，水凝膠可以產(chǎn)(chan)生及時(shí)(shi)充分(fen)的形(xing)變且不被破(po)壞，從而使整個(gè)(ge)襯底具備更(geng)強(qiáng)的拉(la)伸能力(li)。

摘自(zi)：《電子皮膚用(yong)纖維素(su)水凝(ning)膠的研究進(jìn)展(zhan)》 微納電子技(ji)術(shù)