質構儀用(yong)於(yu)測定(ding)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)拉伸(shen)性(xing)能

為(wei)了(le)提(ti)高水(shui)凝(ning)膠(jiao)拉伸(shen)性(xing)能就(jiu)需(xu)要引入(ru)能(neng)量耗散機制(zhi)，傳統(tong)方法有設(she)計(ji)網(wang)絡結(jie)構、構(gou)建復(fu)合材(cai)料和引(yin)入(ru)微凝(ning)膠(jiao)增強(qiang)效應(ying)（可(ke)視(shi)為兩(liang)相復(fu)合凝(ning)膠(jiao)）。但是在不(bu)引(yin)入(ru)其(qi)他合成高分(fen)子(zi)的(de)情況下，要提升(sheng)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)拉伸(shen)性(xing)能主(zhu)要需(xu)從交(jiao)聯策略(lve)著(zhe)手(shou)，設(she)計(ji)出(chu)能(neng)量(liang)耗散能力(li)強(qiang)的(de)超拉伸(shen)網絡結(jie)構。目前(qian)對(dui)於水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)交聯(lian)策略(lve)主(zhu)要有三(san)種：物(wu)理(li)交聯(lian)、化學(xue)交聯(lian)和雙交聯。常用的(de)物理(li)相互(hu)作(zuo)用(yong)除(chu)了(le)氫(qing)鍵外(wai)，還有(you)疏水(shui)相互(hu)作(zuo)用(yong)、離子(zi)相互(hu)作(zuo)用(yong)和主－客(ke)體(ti)相互(hu)作(zuo)用(yong)等。纖(xian)維(wei)素鏈上豐(feng)富(fu)的(de)羥基(ji)與(yu)纖(xian)維(wei)素的(de)三(san)維(wei)立體(ti)構(gou)象(xiang)促(cu)使(shi)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)自帶氫(qing)鍵交(jiao)聯和(he)鏈間交錯纏(chan)結(jie)。2019年，Ｄ．Ｌｉｕ等人誘(you)導大腸(chang)桿(gan)菌(jun)產生(sheng)大量(liang)的(de)細(xi)菌纖(xian)維(wei)素，通(tong)過氫(qing)鍵直接交(jiao)聯(lian)制備水(shui)凝(ning)膠(jiao)。改性(xing)後的(de)細(xi)菌纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)網絡致(zhi)密(mi)但(dan)仍(reng)清(qing)晰(xi)，大拉伸(shen)率可(ke)達(da)28.67％。另(ling)壹方面(mian)，纖(xian)維(wei)素具有大量(liang)的(de)氫(qing)鍵結(jie)構，這(zhe)在很大程(cheng)度上限(xian)制(zhi)了(le)室(shi)溫下它在水(shui)和有機介質中(zhong)的(de)溶解(jie)度。隨(sui)著(zhe)NaOH／尿(niao)素水(shui)體(ti)系(xi)、Ｎ-甲基(ji)嗎啉(lin)-Ｎ-氧化物水(shui)合物(wu)、離子(zi)液體(ti)等溶劑(ji)體(ti)系(xi)的(de)開發(fa)，通(tong)過重(zhong)建再(zai)生(sheng)纖(xian)維(wei)素分子(zi)間(jian)和分(fen)子(zi)內(nei)的(de)氫(qing)鍵，可(ke)以制(zhi)備再(zai)生(sheng)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)。2019年，Ｘ．Ｆ．Ｚｈａｎｇ等人用(yong)高濃(nong)度的(de)ZnCl2離子(zi)溶液溶解(jie)棉纖(xian)維(wei)素，並將離子(zi)化合物(wu)（ＺｎＣｌ２／ＣａＣｌ２）整(zheng)合到(dao)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)網絡中(zhong)，得(de)到(dao)Ｚｎ２＋／Ｃａ２＋／纖(xian)維(wei)素配位鍵組成的(de)物理(li)交聯(lian)水(shui)凝(ning)膠(jiao)，如(ru)圖１所(suo)示。這(zhe)種新(xin)型纖(xian)維(wei)素基水(shui)凝(ning)膠(jiao)拉伸(shen)率達(da)到(dao)１２０．０％。

為(wei)了(le)保(bao)證纖(xian)維(wei)素的(de)穩定(ding)結(jie)構和(he)有效溶脹，凝(ning)膠(jiao)過程(cheng)中(zhong)，壹(yi)般(ban)會加入(ru)化學(xue)交聯(lian)劑(ji)促(cu)進三(san)維(wei)網絡的(de)共
價(jia)結(jie)合。目前(qian)報(bao)道(dao)多(duo)的(de)化學(xue)交聯(lian)劑(ji)有(you)環(huan)氧(yang)化物、烷(wan)基鹵化物和含環(huan)氧(yang)鹵化基團(tuan)的(de)化合物(wu)等。鹵代烷(wan)與纖(xian)維(wei)素反應需(xu)要較(jiao)強(qiang)的(de)堿(jian)性(xing)環境(jing)，因此(ci)實(shi)際操作中(zhong)常用含環氧鹵化基團(tuan)的(de)化合物(wu) （如(ru)環氧(yang)氯丙烷(wan)）進行化學(xue)交聯(lian)。2019年，Ｘ．Ｃｕｉ等人以(yi)豆(dou)渣中(zhong)提(ti)取(qu)的(de)纖(xian)維(wei)素為原料，通(tong)過向其中(zhong)加入(ru)環(huan)氧氯丙烷(wan) （ＥＣＨ）與無(wu)水(shui)葡(pu)萄糖(tang)單(dan)元(yuan) （ＡＧＵ），制備了(le)具有良好(hao)機(ji)械(xie)性(xing)能的(de)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)。通(tong)過改變水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)含水(shui)量，可調(tiao)節機械(xie)性(xing)能，其(qi)大拉伸(shen)率可(ke)達(da)107％。化學(xue)交聯(lian)水(shui)凝(ning)膠(jiao)也可以在交(jiao)聯(lian)劑(ji)的(de)存在下，通(tong)過單(dan)體(ti)自(zi)由(you)基(ji)聚(ju)合得(de)到(dao)，自由基聚(ju)合具有高反應活性(xing)和對(dui)水(shui)環境的(de)要求相對溫(wen)和等優(you)勢。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ等人通(tong)過醚(mi)化改性(xing)在NaOH／尿(niao)素水(shui)溶液中(zhong)制(zhi)備烯丙基纖(xian)維(wei)素，再(zai)由(you)熱(re)引發(fa)自(zi)由(you)基(ji)聚(ju)合得(de)到(dao)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao) （ＣＩＨ），其具有高可(ke)拉伸(shen)性(xing) （拉伸(shen)率126％）。通(tong)過合理(li)調(tiao)整(zheng)化學(xue)交聯(lian)密(mi)度，還可(ke)以控(kong)制(zhi)水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)各項(xiang)性(xing)能。此(ci)外，該(gai) ＣＩＨ 可以作為(wei)可(ke)靠和穩定(ding)的(de)應變傳感(gan)器(qi)，並已(yi)成功用(yong)於監(jian)測人類(lei)活動(dong)。

雙交聯水(shui)凝(ning)膠(jiao)具有突出(chu)的(de)性(xing)能優(you)勢，2016年，Ｄ．Ｚｈａｏ等人利用環(huan)氧氯丙烷(wan)加氫(qing)鍵交(jiao)聯方(fang)法(fa)制(zhi)備了(le)雙交聯 （ＤＣ）纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)，如(ru)圖２所(suo)示。研(yan)究了(le) ＤＣ纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)中(zhong)化學(xue)交聯(lian)域和物理交聯(lian)域(yu)的(de)形成和空(kong)間分(fen)布，發(fa)現環氧(yang)氯丙烷(wan)與葡(pu)萄糖(tang)單(dan)元(yuan)的(de)物質的(de)量的(de)比和(he)乙醇(chun)水(shui)溶液的(de)濃度是調(tiao)控(kong) ＤＣ纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)力(li)學(xue)性(xing)能的(de)兩(liang)個關鍵(jian)參數。2019年，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人設(she)計(ji)了(le)壹(yi)種綠(lv)色路線來(lai)制(zhi)備超(chao)堅(jian)韌的(de)再(zai)生(sheng)纖(xian)維(wei)素薄膜(mo)，在堿(jian)／尿(niao)素水(shui)溶液體(ti)系(xi)中(zhong)溶解(jie)纖(xian)維(wei)素，向其中(zhong)直接引(yin)入(ru)氫(qing)鍵，風(feng)幹後進行結(jie)構致(zhi)密(mi)化處理，水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)強(qiang)度得(de)到(dao)了(le)提(ti)高，但(dan)拉伸(shen)率僅(jin)達(da)到(dao)12.4％。為了(le)得(de)到(dao)超拉伸(shen)率的(de)純纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)，再(zai)引(yin)入(ru)化學(xue)交聯(lian) （環氧氯丙烷(wan)）加氫(qing)鍵的(de)組合形式，使(shi)棉纖(xian)維(wei)素的(de)拉伸(shen)率由(you)僅(jin)有氫(qing)鍵交(jiao)聯時(shi)的(de)12.4％提升(sheng)到了(le)44.1％。通(tong)過長(chang)短鏈和內外層(ceng)結(jie)構設(she)計(ji)，制(zhi)備出(chu)雙網絡結(jie)構的(de)水(shui)凝(ning)膠(jiao)，外層短鏈增加損(sun)耗模(mo)量的(de)同時(shi)，內層(ceng)長鏈交錯纏(chan)繞，大幅(fu)度提高了(le)水(shui) 凝(ning) 膠(jiao) 的(de)  大 拉 伸(shen) 率。2019年(nian)，Ｄ．Ｄ．Ｙｅ等人通(tong)過纖(xian)維(wei)素與低分(fen)子(zi)量(liang)和高分(fen)子(zi)量(liang)交聯(lian)劑(ji)的(de)序貫(guan)反應，構建(jian)了(le)化學(xue)雙交聯纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao) （ＤＣＨ），得(de)到(dao)了(le)相對短鏈和長鏈的(de)交聯(lian)網絡。他們(men)提出(chu)了(le)ＤＣＨ 的(de)加固(gu)機(ji)理，短鏈交聯的(de)斷裂(lie)有效(xiao)地分散了(le)機(ji)械(xie)能量(liang)，而長(chang)鏈交聯維持(chi)了(le) ＤＣＨ 的(de)彈性(xing)，因此(ci)，ＤＣＨ 的(de)大拉伸(shen)率達(da)到(dao)94.5％，此短鏈和長鏈交聯的(de)雙網絡對纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)力(li)學(xue)性(xing)能的(de)提高起(qi)到(dao)了(le)重(zhong)要作用(yong)。2019年，Ｒ．Ｐ．Ｔｏｎｇ 等人在自(zi)由(you)基聚(ju)合得(de)到(dao)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)基礎(chu)上，將水(shui)凝(ning)膠(jiao)浸入(ru)飽(bao)和ＮａＣｌ溶液中(zhong)進行物理交(jiao)聯(lian)，制(zhi)備物(wu)化雙交聯纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)，其大拉伸(shen)率達(da)到(dao)了(le)236％。值得(de)壹(yi)提的(de)是，該(gai)水(shui)凝(ning)膠(jiao)應變傳感(gan)器(qi)在測量手(shou)臂和手(shou)腕的(de)彎曲(qu)等常規動(dong)作時信號穩定(ding)、效果良好，並(bing)在－２０℃時(shi)仍(reng)具有良好(hao)的(de)拉伸(shen)性(xing)能，為(wei)柔(rou)性(xing)電(dian)子(zi)器(qi)件(jian)在大範(fan)圍(wei)溫度下的(de)應用(yong)提供(gong)了(le)參考。截至(zhi)目前(qian)，已(yi)有很多關於物(wu)理(li)或化學(xue)策略(lve)用(yong)來(lai)構(gou)建(jian)有效能量(liang)耗散機制(zhi)的(de)纖(xian)維(wei)素基水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)研究。已報(bao)道(dao)的(de)水(shui)凝(ning)膠(jiao)的(de)各種交(jiao)聯(lian)策略(lve)及(ji)其(qi)拉伸(shen)率的(de)對應(ying)關系(xi)如(ru)表１所(suo)示。

在交(jiao)聯(lian)方法(fa)已經(jing)確定(ding)的(de)情況下，還可(ke)以(yi)通(tong)過設(she)計(ji)幾(ji)何結(jie)構來(lai)滿足(zu)在實(shi)際應用時的(de)超拉伸(shen)要求。常
見(jian)的(de)可拉伸(shen)結(jie)構有(you)：島橋、波浪／皺 紋、紡織和剪紙。對於(yu)水(shui)凝(ning)膠(jiao)，常采用波浪結(jie)構來(lai)提升其(qi)在應(ying)用(yong)時的(de)拉伸(shen)率。以(yi)纖(xian)維(wei)素水(shui)凝(ning)膠(jiao)為例，在制(zhi)備器(qi)件(jian)之(zhi)前(qian)，先(xian)把(ba)水(shui)凝(ning)膠(jiao)進行預拉伸(shen)，然後將已被(bei)拉伸(shen)的(de)水(shui)凝(ning)膠(jiao)與其他器(qi)件(jian)進行組合，隨(sui)後水(shui)凝(ning)膠(jiao)收縮(suo)為(wei)波浪結(jie)構。在施(shi)加應(ying)變的(de)情況下，水(shui)凝(ning)膠(jiao)可以產生(sheng)及(ji)時(shi)充(chong)分的(de)形變且不(bu)被(bei)破壞，從(cong)而(er)使(shi)整(zheng)個襯底(di)具備更(geng)強(qiang)的(de)拉伸(shen)能力(li)。