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為了提(ti)高水凝膠拉伸(shen)性能就(jiu)需要(yao)引入能量耗散(san)機制，傳統(tǒng)方(fang)法有設(shè)計網(wǎng)(wang)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)(gou)建復(fù)合材料(liao)和引入(ru)微凝膠增強(qiang)效應(yīng)(ying)（可視為兩相(xiang)復(fù)合凝膠(jiao)）。但是在(zai)不引(yin)入其他合成高(gao)分子的情況(kuang)下，要提升纖維(wei)素水(shui)凝膠的(de)拉伸(shen)性能主要需從(cong)交聯(lián)策略著手(shou)，設(shè)計出能量耗(hao)散能(neng)力強的超拉伸(shen)網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)。目(mu)前對(dui)于水凝膠的(de)交聯(lián)(lian)策略主(zhu)要有三(san)種：物理交聯(lián)(lian)、化學(xué)交聯(lián)和(he)雙交聯(lián)。常用的(de)物理相(xiang)互作用除了(le)氫鍵外，還有(you)疏水相(xiang)互作用、離(li)子相互作用和(he)主－客體(ti)相互作用等。纖(xian)維素鏈(lian)上豐富的(de)羥基與纖(xian)維素(su)的三(san)維立體構(gòu)象(xiang)促使纖維素水(shui)凝膠自(zi)帶氫鍵(jian)交聯(lián)和(he)鏈間交錯纏(chan)結(jié)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等(deng)人誘導(dǎo)(dao)大腸桿菌(jun)產(chǎn)生大量的細(xi)菌纖維素，通(tong)過氫鍵直接(jie)交聯(lián)制備(bei)水凝膠(jiao)。改性(xing)后的細(xi)菌纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)絡(luò)致密(mi)但仍清(qing)晰，大(da)拉伸(shen)率可達(da)28.67％。另一方面，纖(xian)維素具有(you)大量(liang)的氫(qing)鍵結(jié)(jie)構(gòu)，這在很大(da)程度上限(xian)制了室(shi)溫下它在水和(he)有機介質(zhì)中(zhong)的溶(rong)解度。隨著(zhe)NaOH／尿素(su)水體系、Ｎ-甲基嗎(ma)啉-Ｎ-氧(yang)化物水合(he)物、離(li)子液體(ti)等溶(rong)劑體(ti)系的開發(fā)(fa)，通過重(zhong)建再生纖(xian)維素分子(zi)間和分子內(nèi)的(de)氫鍵，可以制備(bei)再生纖維素(su)水凝膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人(ren)用高濃(nong)度的ZnCl2離子溶(rong)液溶解(jie)棉纖維(wei)素，并將離(li)子化合物(wu)（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維素水(shui)凝膠網(wǎng)(wang)絡(luò)中(zhong)，得到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配(pei)位鍵(jian)組成的(de)物理交(jiao)聯(lián)水(shui)凝膠，如圖１所(suo)示。這種(zhong)新型(xing)纖維素基水(shui)凝膠拉伸(shen)率達到１２０．０％。

為了保證纖維(wei)素的穩(wěn)定結(jié)(jie)構(gòu)和有效溶(rong)脹，凝膠(jiao)過程中(zhong)，一般會加入化(hua)學(xué)交聯(lián)(lian)劑促(cu)進三維網(wǎng)(wang)絡(luò)的共
價結(jié)合。目前報(bao)道多的化學(xué)(xue)交聯(lián)(lian)劑有環(huán)氧化物(wu)、烷基(ji)鹵化物和含環(huán)(huan)氧鹵化(hua)基團的化(hua)合物等。鹵(lu)代烷與纖維(wei)素反應(yīng)需要(yao)較強的堿(jian)性環(huán)境，因(yin)此實際操作中(zhong)常用含(han)環(huán)氧鹵化基團(tuan)的化合物 （如(ru)環(huán)氧氯丙烷(wan)）進行(xing)化學(xué)(xue)交聯(lián)(lian)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人以豆渣(zha)中提取的纖維(wei)素為原料，通過(guo)向其中加(jia)入環(huán)氧氯丙烷(wan) （ＥＣＨ）與無水(shui)葡萄糖單元 （ＡＧＵ），制(zhi)備了(le)具有良好(hao)機械性能(neng)的纖維素水凝(ning)膠。通過改變水(shui)凝膠的含水(shui)量，可調(diào)(diao)節(jié)機(ji)械性能，其大(da)拉伸率可達(da)107％?；瘜W(xué)交聯(lián)水凝(ning)膠也可以在交(jiao)聯(lián)劑的存在(zai)下，通過單體自(zi)由基聚合(he)得到，自由基聚(ju)合具(ju)有高反應(yīng)活性(xing)和對水環(huán)(huan)境的要求(qiu)相對(dui)溫和(he)等優(yōu)勢。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通過醚(mi)化改性在NaOH／尿(niao)素水溶液(ye)中制(zhi)備烯丙基纖維(wei)素，再由(you)熱引發(fā)自由(you)基聚合得(de)到纖維素水(shui)凝膠 （ＣＩＨ），其具有(you)高可拉伸性 （拉(la)伸率(lv)126％）。通過合理調(diào)整(zheng)化學(xué)交聯(lián)密(mi)度，還可(ke)以控制(zhi)水凝膠的各項(xiang)性能。此外，該 ＣＩＨ 可(ke)以作為可靠和(he)穩(wěn)定的應(yīng)變傳(chuan)感器，并已(yi)成功用(yong)于監(jiān)測(ce)人類活動。

雙交聯(lián)水(shui)凝膠具有突(tu)出的性能優(yōu)勢(shi)，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷加(jia)氫鍵(jian)交聯(lián)(lian)方法制(zhi)備了雙交聯(lián) （ＤＣ）纖(xian)維素水凝膠(jiao)，如圖(tu)２所示。研究了(le) ＤＣ纖維(wei)素水凝膠中(zhong)化學(xué)交聯(lián)域和(he)物理交聯(lián)(lian)域的形成(cheng)和空間(jian)分布，發(fā)現(xiàn)環(huán)(huan)氧氯(lv)丙烷與葡萄(tao)糖單元的(de)物質(zhì)的量(liang)的比和乙醇(chun)水溶液的濃度(du)是調(diào)(diao)控 ＤＣ纖維素水(shui)凝膠力學(xué)性能(neng)的兩個關(guān)鍵(jian)參數(shù)(shu)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(shè)(she)計了一種綠色(se)路線來制備(bei)超堅韌(ren)的再生纖維素(su)薄膜(mo)，在堿(jian)／尿素(su)水溶液體系中(zhong)溶解(jie)纖維(wei)素，向其中(zhong)直接引入氫(qing)鍵，風(fēng)干后進(jin)行結(jié)構(gòu)致(zhi)密化(hua)處理，水(shui)凝膠的強(qiang)度得(de)到了提高，但拉(la)伸率僅達(da)到12.4％。為了(le)得到超(chao)拉伸率的純(chun)纖維(wei)素水凝膠(jiao)，再引入化學(xué)交(jiao)聯(lián) （環(huán)氧氯丙烷(wan)）加氫(qing)鍵的組合形(xing)式，使棉纖維素(su)的拉伸率由(you)僅有氫鍵(jian)交聯(lián)(lian)時的(de)12.4％提升到(dao)了44.1％。通過長(zhang)短鏈和內(nèi)(nei)外層(ceng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(ji)，制備出雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的(de)水凝膠，外層(ceng)短鏈增加損(sun)耗模量的(de)同時(shi)，內(nèi)層長鏈(lian)交錯纏繞(rao)，大幅度(du)提高了水 凝(ning) 膠 的 ?大 拉 伸 率(lv)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通(tong)過纖維(wei)素與低分子量(liang)和高(gao)分子(zi)量交聯(lián)劑(ji)的序貫反應(yīng)，構(gòu)(gou)建了化學(xué)(xue)雙交聯(lián)纖(xian)維素水凝(ning)膠 （ＤＣＨ），得到了(le)相對短(duan)鏈和長鏈的交(jiao)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他們(men)提出了ＤＣＨ 的加(jia)固機(ji)理，短鏈交聯(lián)(lian)的斷裂有效(xiao)地分散了機械(xie)能量，而長鏈交(jiao)聯(lián)維(wei)持了 ＤＣＨ 的(de)彈性，因此(ci)，ＤＣＨ 的大拉(la)伸率達(da)到94.5％，此短鏈和長(zhang)鏈交(jiao)聯(lián)的雙(shuang)網(wǎng)絡(luò)(luo)對纖(xian)維素(su)水凝(ning)膠力學(xué)性(xing)能的提(ti)高起到了重要(yao)作用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在(zai)自由基聚合(he)得到纖維素水(shui)凝膠的(de)基礎(chǔ)(chu)上，將水(shui)凝膠(jiao)浸入飽(bao)和ＮａＣｌ溶液(ye)中進行物(wu)理交聯(lián)，制備(bei)物化雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao)，其大拉伸(shen)率達(da)到了236％。值(zhi)得一提(ti)的是，該水凝膠(jiao)應(yīng)變傳感(gan)器在測量手臂(bi)和手腕的彎(wan)曲等常規(guī)(gui)動作時信號(hao)穩(wěn)定(ding)、效果(guo)良好，并在－２０℃時(shi)仍具有良(liang)好的拉伸性能(neng)，為柔性電(dian)子器件在大(da)范圍(wei)溫度(du)下的(de)應(yīng)用提(ti)供了參考(kao)。截至(zhi)目前，已有很多(duo)關(guān)于物理(li)或化學(xué)策(ce)略用來構(gòu)建(jian)有效(xiao)能量耗散(san)機制的纖(xian)維素基水凝(ning)膠的研究。已報(bao)道的水凝(ning)膠的(de)各種交聯(lián)策略(lve)及其拉伸率(lv)的對應(yīng)關(guān)系(xi)如表１所示。

在交聯(lián)方法(fa)已經(jīng)確定(ding)的情況下，還(hai)可以(yi)通過設(shè)計幾何(he)結(jié)構(gòu)來(lai)滿足在實(shi)際應(yīng)(ying)用時的超拉(la)伸要求。常
見的可拉伸結(jié)(jie)構(gòu)有(you)：島橋、波浪／皺(zhou) 紋、紡織和剪(jian)紙。對(dui)于水凝(ning)膠，常采(cai)用波浪(lang)結(jié)構(gòu)(gou)來提升其(qi)在應(yīng)用(yong)時的拉伸(shen)率。以(yi)纖維素水(shui)凝膠為(wei)例，在制備器件(jian)之前，先把水(shui)凝膠進行預(yù)拉(la)伸，然后將已被(bei)拉伸的水凝膠(jiao)與其他(ta)器件(jian)進行組合(he)，隨后水(shui)凝膠收縮(suo)為波浪(lang)結(jié)構(gòu)。在施(shi)加應(yīng)變的(de)情況下(xia)，水凝(ning)膠可以(yi)產(chǎn)生及時充分(fen)的形變且(qie)不被破壞，從而(er)使整(zheng)個襯底具備(bei)更強的(de)拉伸能力(li)。

摘自：《電(dian)子皮(pi)膚用纖維素水(shui)凝膠的研(yan)究進展(zhan)》 微納電子技(ji)術(shù)