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為了提高(gao)水凝膠拉伸(shen)性能就(jiu)需要引(yin)入能量(liang)耗散機制，傳統(tǒng)(tong)方法(fa)有設(shè)計網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)(gou)、構(gòu)建復(fù)合材料(liao)和引入微凝膠(jiao)增強效(xiao)應(yīng)（可視為兩(liang)相復(fù)合凝(ning)膠）。但是(shi)在不引入其他(ta)合成高(gao)分子(zi)的情況下(xia)，要提(ti)升纖維(wei)素水凝膠的(de)拉伸性(xing)能主要需(xu)從交聯(lián)策略著(zhe)手，設(shè)計(ji)出能量耗(hao)散能力強的(de)超拉伸網(wǎng)絡(luò)結(jié)(jie)構(gòu)。目前(qian)對于水凝膠的(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)和雙(shuang)交聯(lián)。常用的(de)物理相互作用(yong)除了氫鍵外，還(hai)有疏水(shui)相互作用、離子(zi)相互作用和主(zhu)－客體相互(hu)作用等。纖維素(su)鏈上(shang)豐富的羥(qiang)基與纖維(wei)素的三(san)維立(li)體構(gòu)象促(cu)使纖維素水凝(ning)膠自帶(dai)氫鍵(jian)交聯(lián)和(he)鏈間交(jiao)錯纏結(jié)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等人(ren)誘導(dǎo)(dao)大腸(chang)桿菌產(chǎn)生(sheng)大量(liang)的細(xì)菌(jun)纖維素(su)，通過氫鍵(jian)直接(jie)交聯(lián)制備水(shui)凝膠。改性后的(de)細(xì)菌(jun)纖維素水凝(ning)膠網(wǎng)絡(luò)致密(mi)但仍(reng)清晰，大(da)拉伸率可達(dá)28.67％。另(ling)一方(fang)面，纖維(wei)素具有大(da)量的氫鍵結(jié)構(gòu)(gou)，這在很(hen)大程度(du)上限制(zhi)了室溫(wen)下它在水(shui)和有機(ji)介質(zhì)中的溶(rong)解度。隨著(zhe)NaOH／尿素(su)水體系(xi)、Ｎ-甲基嗎啉-Ｎ-氧(yang)化物水合物、離(li)子液體等溶劑(ji)體系的(de)開發(fā)，通過重(zhong)建再生纖維素(su)分子間和(he)分子內(nèi)的(de)氫鍵，可以制(zhi)備再生纖維(wei)素水(shui)凝膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等(deng)人用(yong)高濃(nong)度的ZnCl2離(li)子溶(rong)液溶(rong)解棉纖維素(su)，并將離子(zi)化合(he)物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到(dao)纖維素水凝膠(jiao)網(wǎng)絡(luò)(luo)中，得(de)到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維素配(pei)位鍵組(zu)成的物理交(jiao)聯(lián)水凝(ning)膠，如圖(tu)１所示(shi)。這種(zhong)新型(xing)纖維(wei)素基(ji)水凝膠拉伸(shen)率達(dá)到(dao)１２０．０％。

為了保證(zheng)纖維素(su)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和(he)有效(xiao)溶脹，凝(ning)膠過程中，一(yi)般會(hui)加入化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑促進(jin)三維網(wǎng)絡(luò)的(de)共
價結(jié)合。目前(qian)報道多的(de)化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑有環(huán)氧(yang)化物、烷基(ji)鹵化物和含環(huán)(huan)氧鹵化基團(tuan)的化合物等(deng)。鹵代烷(wan)與纖維素(su)反應(yīng)需(xu)要較(jiao)強的(de)堿性環(huán)境，因(yin)此實際操作(zuo)中常用(yong)含環(huán)氧鹵(lu)化基團(tuan)的化合(he)物 （如環(huán)氧氯丙(bing)烷）進(jin)行化學(xué)交聯(lián)。2019年(nian)，Ｘ．Ｃｕｉ等人以(yi)豆渣中提(ti)取的(de)纖維(wei)素為原料，通(tong)過向其中(zhong)加入環(huán)氧(yang)氯丙(bing)烷 （ＥＣＨ）與無水(shui)葡萄糖單元(yuan) （ＡＧＵ），制備了具(ju)有良(liang)好機械性(xing)能的纖(xian)維素水凝膠。通(tong)過改變(bian)水凝膠的含(han)水量，可調(diào)節(jié)(jie)機械性能(neng)，其大拉伸率可(ke)達(dá)107％。化學(xué)交(jiao)聯(lián)水凝膠也(ye)可以(yi)在交聯(lián)(lian)劑的存在下(xia)，通過單體自(zi)由基(ji)聚合得到，自由(you)基聚合(he)具有高反(fan)應(yīng)活性和對(dui)水環(huán)境的要求(qiu)相對溫和等(deng)優(yōu)勢。2019年(nian)，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過醚(mi)化改性在(zai)NaOH／尿素(su)水溶液中(zhong)制備烯丙基(ji)纖維素，再(zai)由熱引發(fā)自(zi)由基聚合得(de)到纖維素水凝(ning)膠 （ＣＩＨ），其具有高可(ke)拉伸性 （拉伸(shen)率126％）。通(tong)過合理調(diào)整(zheng)化學(xué)交聯(lián)密度(du)，還可以控(kong)制水凝膠的各(ge)項性能。此(ci)外，該(gai) ＣＩＨ 可以(yi)作為(wei)可靠和穩(wěn)定(ding)的應(yīng)變(bian)傳感器，并已成(cheng)功用于監(jiān)測(ce)人類活動(dong)。

雙交聯(lián)水(shui)凝膠具有突出(chu)的性能優(yōu)勢，2016年(nian)，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用環(huán)(huan)氧氯丙(bing)烷加氫(qing)鍵交聯(lián)方(fang)法制備了(le)雙交聯(lián)(lian) （ＤＣ）纖維素水凝(ning)膠，如圖２所(suo)示。研(yan)究了 ＤＣ纖維素水(shui)凝膠中化學(xué)(xue)交聯(lián)域(yu)和物理交聯(lián)域(yu)的形(xing)成和空間分布(bu)，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧氯(lv)丙烷(wan)與葡萄糖(tang)單元(yuan)的物(wu)質(zhì)的(de)量的比和乙醇(chun)水溶液的濃度(du)是調(diào)(diao)控 ＤＣ纖維素水(shui)凝膠(jiao)力學(xué)(xue)性能的兩個關(guān)(guan)鍵參數(shù)。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人(ren)設(shè)計了一種綠(lv)色路(lu)線來制備(bei)超堅(jian)韌的再生(sheng)纖維素薄膜，在(zai)堿／尿素水溶液(ye)體系中溶(rong)解纖維素(su)，向其中直接引(yin)入氫鍵，風(fēng)(feng)干后進行結(jié)構(gòu)(gou)致密化(hua)處理，水凝膠的(de)強度得到(dao)了提(ti)高，但拉伸率僅(jin)達(dá)到12.4％。為(wei)了得到超拉(la)伸率的純纖(xian)維素水(shui)凝膠，再(zai)引入化學(xué)交(jiao)聯(lián) （環(huán)氧氯丙(bing)烷）加(jia)氫鍵的(de)組合形式，使(shi)棉纖維素的(de)拉伸(shen)率由僅有氫鍵(jian)交聯(lián)(lian)時的(de)12.4％提升(sheng)到了(le)44.1％。通過長(zhang)短鏈和內(nèi)外層(ceng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備(bei)出雙網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)的(de)水凝膠(jiao)，外層短(duan)鏈增加(jia)損耗模量(liang)的同時，內(nèi)層長(zhang)鏈交錯纏繞，大(da)幅度提高了(le)水 凝 膠(jiao) 的 ?大 拉 伸 率(lv)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等(deng)人通過纖(xian)維素與低分子(zi)量和高(gao)分子量交(jiao)聯(lián)劑的序(xu)貫反應(yīng)(ying)，構(gòu)建(jian)了化學(xué)雙交聯(lián)(lian)纖維素水凝膠(jiao) （ＤＣＨ），得到了(le)相對短鏈(lian)和長鏈(lian)的交聯(lián)網(wǎng)(wang)絡(luò)。他(ta)們提出(chu)了ＤＣＨ 的加(jia)固機(ji)理，短鏈(lian)交聯(lián)的斷裂有(you)效地(di)分散了機械(xie)能量，而長(zhang)鏈交聯(lián)維持(chi)了 ＤＣＨ 的彈性，因(yin)此，ＤＣＨ 的大拉伸率(lv)達(dá)到(dao)94.5％，此短鏈和長(zhang)鏈交聯(lián)(lian)的雙網(wǎng)(wang)絡(luò)對纖維素(su)水凝(ning)膠力學(xué)性(xing)能的提高(gao)起到了重要(yao)作用(yong)。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)上，將(jiang)水凝(ning)膠浸入(ru)飽和ＮａＣｌ溶液中進(jin)行物(wu)理交聯(lián)，制(zhi)備物化雙交(jiao)聯(lián)纖維素水(shui)凝膠(jiao)，其大拉伸率(lv)達(dá)到了236％。值得(de)一提的(de)是，該水凝膠應(yīng)(ying)變傳感器在測(ce)量手(shou)臂和手腕的(de)彎曲等常(chang)規(guī)動作(zuo)時信(xin)號穩(wěn)定、效果(guo)良好，并在(zai)－２０℃時仍(reng)具有良(liang)好的拉(la)伸性能，為柔(rou)性電(dian)子器(qi)件在大范(fan)圍溫度下(xia)的應(yīng)(ying)用提供了(le)參考。截至目(mu)前，已有很(hen)多關(guān)于物理或(huo)化學(xué)策略用(yong)來構(gòu)建有效(xiao)能量耗散(san)機制的纖(xian)維素基水凝(ning)膠的研(yan)究。已報(bao)道的水凝膠的(de)各種(zhong)交聯(lián)策略及其(qi)拉伸率的(de)對應(yīng)關(guān)系如(ru)表１所示。

在交聯(lián)方(fang)法已(yi)經(jīng)確定的情(qing)況下，還可以(yi)通過設(shè)計幾(ji)何結(jié)構(gòu)來(lai)滿足在實(shi)際應(yīng)用時的超(chao)拉伸(shen)要求。常
見的(de)可拉伸結(jié)構(gòu)有(you)：島橋、波浪／皺 紋(wen)、紡織和剪(jian)紙。對(dui)于水(shui)凝膠，常采用波(bo)浪結(jié)構(gòu)來(lai)提升其在應(yīng)用(yong)時的(de)拉伸率。以纖(xian)維素水凝膠(jiao)為例，在制備器(qi)件之(zhi)前，先把水(shui)凝膠(jiao)進行預(yù)拉伸，然(ran)后將(jiang)已被拉(la)伸的水凝膠(jiao)與其他(ta)器件進行(xing)組合，隨后水凝(ning)膠收(shou)縮為波(bo)浪結(jié)(jie)構(gòu)。在(zai)施加應(yīng)(ying)變的情況下(xia)，水凝膠可(ke)以產(chǎn)(chan)生及時(shi)充分(fen)的形變且不(bu)被破壞，從而使(shi)整個襯底具備(bei)更強的拉(la)伸能力。

摘自：《電子(zi)皮膚用纖維素(su)水凝膠(jiao)的研究(jiu)進展》 微納電(dian)子技術(shù)(shu)