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為了提高(gao)水凝膠拉(la)伸性能(neng)就需要引入能(neng)量耗散機(jī)制(zhi)，傳統(tǒng)方法(fa)有設(shè)(she)計(jì)網(wǎng)絡(luò)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)合凝膠）。但(dan)是在不引(yin)入其他(ta)合成高分(fen)子的情況下，要(yao)提升(sheng)纖維(wei)素水凝膠的拉(la)伸性(xing)能主要需從交(jiao)聯(lián)策略著手，設(shè)(she)計(jì)出(chu)能量耗(hao)散能力強(qiáng)(qiang)的超拉伸網(wǎng)絡(luò)(luo)結(jié)構(gòu)。目前(qian)對(duì)于水凝膠的(de)交聯(lián)策略主要(yao)有三種(zhong)：物理(li)交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)(lian)和雙交聯(lián)(lian)。常用的物(wu)理相(xiang)互作(zuo)用除(chu)了氫鍵(jian)外，還有疏(shu)水相互(hu)作用、離子(zi)相互(hu)作用和主－客(ke)體相(xiang)互作(zuo)用等。纖維素鏈(lian)上豐富的(de)羥基與纖維素(su)的三(san)維立體(ti)構(gòu)象(xiang)促使纖(xian)維素水凝(ning)膠自帶氫鍵交(jiao)聯(lián)和(he)鏈間交錯(cuò)(cuo)纏結(jié)。2019年(nian)，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘(you)導(dǎo)大腸桿菌產(chǎn)(chan)生大量的細(xì)菌(jun)纖維素，通過(guò)(guo)氫鍵(jian)直接交(jiao)聯(lián)制(zhi)備水凝(ning)膠。改性(xing)后的(de)細(xì)菌纖(xian)維素水凝膠網(wǎng)(wang)絡(luò)致(zhi)密但仍清晰，大(da)拉伸率可達(dá)28.67％。另(ling)一方面，纖(xian)維素具有大量(liang)的氫(qing)鍵結(jié)(jie)構(gòu)，這在很大程(cheng)度上限(xian)制了室溫(wen)下它在水和(he)有機(jī)(ji)介質(zhì)中的溶解(jie)度。隨著NaOH／尿(niao)素水體系(xi)、Ｎ-甲基嗎啉-Ｎ-氧化(hua)物水合(he)物、離(li)子液體(ti)等溶劑體系的(de)開(kāi)發(fā)，通(tong)過(guò)重建再生纖(xian)維素分(fen)子間和分子內(nèi)(nei)的氫鍵，可(ke)以制備(bei)再生纖(xian)維素水凝(ning)膠。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用(yong)高濃度的ZnCl2離子(zi)溶液溶(rong)解棉纖維素，并(bing)將離子化合(he)物（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整合到纖維(wei)素水凝(ning)膠網(wǎng)絡(luò)中，得(de)到Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖維素配(pei)位鍵組(zu)成的物理(li)交聯(lián)(lian)水凝膠，如(ru)圖１所示(shi)。這種新型(xing)纖維素基(ji)水凝膠(jiao)拉伸率(lv)達(dá)到１２０．０％。

為了保證纖(xian)維素的穩(wěn)(wen)定結(jié)(jie)構(gòu)和有效溶(rong)脹，凝(ning)膠過(guò)(guo)程中，一(yi)般會(huì)加入(ru)化學(xué)交(jiao)聯(lián)劑促進(jìn)三(san)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)劑有環(huán)氧化(hua)物、烷基鹵(lu)化物和(he)含環(huán)氧(yang)鹵化基團(tuán)的(de)化合物(wu)等。鹵代烷與(yu)纖維素(su)反應(yīng)需要較(jiao)強(qiáng)的堿性(xing)環(huán)境，因(yin)此實(shí)(shi)際操作(zuo)中常用含環(huán)氧(yang)鹵化基團(tuán)(tuan)的化(hua)合物 （如環(huán)氧氯(lv)丙烷）進(jìn)行化學(xué)(xue)交聯(lián)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人(ren)以豆(dou)渣中提取的(de)纖維素(su)為原料，通(tong)過(guò)向其中加(jia)入環(huán)氧(yang)氯丙烷 （ＥＣＨ）與無(wú)(wu)水葡萄糖單元(yuan) （ＡＧＵ），制備(bei)了具有良好(hao)機(jī)械性能的纖(xian)維素水凝膠(jiao)。通過(guò)(guo)改變水凝膠的(de)含水(shui)量，可調(diào)節(jié)機(jī)械(xie)性能，其大拉伸(shen)率可達(dá)(da)107％?；瘜W(xué)(xue)交聯(lián)水(shui)凝膠也(ye)可以在交(jiao)聯(lián)劑的存(cun)在下，通過(guò)單(dan)體自由基聚(ju)合得到，自(zi)由基聚合(he)具有高(gao)反應(yīng)活(huo)性和對(duì)水(shui)環(huán)境的(de)要求相(xiang)對(duì)溫和等優(yōu)(you)勢(shì)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過(guò)醚化(hua)改性在NaOH／尿素(su)水溶液中制備(bei)烯丙基纖維素(su)，再由(you)熱引發(fā)(fa)自由基聚合得(de)到纖維素(su)水凝膠 （ＣＩＨ），其具有(you)高可拉(la)伸性 （拉(la)伸率(lv)126％）。通過(guò)合(he)理調(diào)整化學(xué)交(jiao)聯(lián)密度(du)，還可以控(kong)制水凝膠的各(ge)項(xiàng)性能。此外(wai)，該 ＣＩＨ 可(ke)以作為可靠(kao)和穩(wěn)定的(de)應(yīng)變(bian)傳感(gan)器，并(bing)已成功用(yong)于監(jiān)測(cè)人(ren)類(lèi)活動(dòng)。

雙交聯(lián)(lian)水凝(ning)膠具(ju)有突出的性(xing)能優(yōu)勢(shì)，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人(ren)利用(yong)環(huán)氧氯丙(bing)烷加氫鍵交聯(lián)(lian)方法制(zhi)備了雙交聯(lián)(lian) （ＤＣ）纖維素(su)水凝膠，如(ru)圖２所示。研究(jiu)了 ＤＣ纖(xian)維素水(shui)凝膠中化學(xué)交(jiao)聯(lián)域和(he)物理交聯(lián)域(yu)的形成(cheng)和空間(jian)分布(bu)，發(fā)現(xiàn)(xian)環(huán)氧氯丙烷(wan)與葡(pu)萄糖單元的物(wu)質(zhì)的量的比和(he)乙醇水溶液(ye)的濃度是調(diào)控(kong) ＤＣ纖維素水凝(ning)膠力學(xué)性能的(de)兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(shu)。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(shè)(she)計(jì)了一種綠色(se)路線來(lái)制備(bei)超堅(jiān)韌的再(zai)生纖維素薄(bao)膜，在(zai)堿／尿素水(shui)溶液體系中溶(rong)解纖維素，向(xiang)其中直接(jie)引入氫(qing)鍵，風(fēng)干后(hou)進(jìn)行結(jié)構(gòu)致密(mi)化處理，水(shui)凝膠的(de)強(qiáng)度得到了(le)提高，但拉(la)伸率僅達(dá)到(dao)12.4％。為了得到超(chao)拉伸率的(de)純纖維(wei)素水凝膠，再(zai)引入化學(xué)交(jiao)聯(lián) （環(huán)氧(yang)氯丙烷）加(jia)氫鍵的(de)組合形(xing)式，使棉纖(xian)維素的拉伸(shen)率由僅有氫(qing)鍵交聯(lián)(lian)時(shí)的12.4％提升到(dao)了44.1％。通過(guò)長(zhǎng)短鏈(lian)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)(gou)的水凝膠，外層(ceng)短鏈(lian)增加損(sun)耗模量的(de)同時(shí)(shi)，內(nèi)層長(zhǎng)(zhang)鏈交錯(cuò)纏繞(rao)，大幅度提(ti)高了水 凝 膠 的(de) ?大 拉 伸 率。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通(tong)過(guò)纖維素與低(di)分子量(liang)和高分(fen)子量交聯(lián)劑(ji)的序(xu)貫反應(yīng)，構(gòu)建了(le)化學(xué)雙交(jiao)聯(lián)纖維素水凝(ning)膠 （ＤＣＨ），得到了相(xiang)對(duì)短鏈和長(zhǎng)鏈(lian)的交聯(lián)(lian)網(wǎng)絡(luò)。他們提(ti)出了ＤＣＨ 的加固機(jī)(ji)理，短鏈交(jiao)聯(lián)的斷(duan)裂有效地分(fen)散了機(jī)械能量(liang)，而長(zhǎng)鏈交(jiao)聯(lián)維持(chi)了 ＤＣＨ 的彈性，因(yin)此，ＤＣＨ 的大拉(la)伸率(lv)達(dá)到94.5％，此短鏈(lian)和長(zhǎng)鏈(lian)交聯(lián)的(de)雙網(wǎng)絡(luò)對(duì)(dui)纖維素水凝膠(jiao)力學(xué)性能的(de)提高起到了(le)重要(yao)作用。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在(zai)自由(you)基聚合得到纖(xian)維素水(shui)凝膠的基礎(chǔ)上(shang)，將水凝膠浸(jin)入飽和ＮａＣｌ溶液中(zhong)進(jìn)行物(wu)理交聯(lián)，制(zhi)備物化雙交(jiao)聯(lián)纖維素水凝(ning)膠，其大拉(la)伸率達(dá)到了(le)236％。值得(de)一提的(de)是，該(gai)水凝膠應(yīng)變傳(chuan)感器在(zai)測(cè)量手臂和手(shou)腕的彎曲等常(chang)規(guī)動(dòng)作(zuo)時(shí)信號(hào)穩(wěn)定(ding)、效果良好(hao)，并在－２０℃時(shí)仍(reng)具有良好的拉(la)伸性能(neng)，為柔性電子器(qi)件在大(da)范圍(wei)溫度下的應(yīng)(ying)用提(ti)供了(le)參考。截至目(mu)前，已有很多關(guān)(guan)于物理或化(hua)學(xué)策略用(yong)來(lái)構(gòu)建(jian)有效能量耗(hao)散機(jī)(ji)制的纖維素(su)基水凝膠(jiao)的研(yan)究。已報(bào)道(dao)的水(shui)凝膠的各(ge)種交(jiao)聯(lián)策略(lve)及其拉伸率(lv)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(xi)如表１所(suo)示。

在交聯(lián)方法(fa)已經(jīng)確定(ding)的情況(kuang)下，還可以通過(guò)(guo)設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)(gou)來(lái)滿足在實(shí)際(ji)應(yīng)用(yong)時(shí)的超拉(la)伸要求。常(chang)
見(jiàn)的(de)可拉伸(shen)結(jié)構(gòu)有：島橋(qiao)、波浪(lang)／皺 紋、紡織和剪(jian)紙。對(duì)(dui)于水凝膠(jiao)，常采用波(bo)浪結(jié)構(gòu)(gou)來(lái)提升(sheng)其在應(yīng)(ying)用時(shí)的拉伸(shen)率。以纖維素(su)水凝膠為例(li)，在制備器件(jian)之前，先把水凝(ning)膠進(jìn)行預(yù)(yu)拉伸，然后將(jiang)已被(bei)拉伸(shen)的水凝膠(jiao)與其他器件進(jìn)(jin)行組合，隨后水(shui)凝膠收縮為(wei)波浪結(jié)(jie)構(gòu)。在施加應(yīng)變(bian)的情(qing)況下，水凝膠可(ke)以產(chǎn)生及(ji)時(shí)充分的形(xing)變且不被破壞(huai)，從而使整個(gè)(ge)襯底具備更強(qiáng)(qiang)的拉伸(shen)能力。

摘自(zi)：《電子皮膚用纖(xian)維素水(shui)凝膠的研(yan)究進(jìn)展》 微納(na)電子技(ji)術(shù)