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質(zhì)構(gòu)儀用于測定纖維素水凝膠的拉伸性能

更新時間:2021-12-26點(diǎn)擊次數(shù):3016

     

為了提高水凝膠拉伸性能就需要引入能量耗散機(jī)制,傳統(tǒng)方法有設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)建復(fù)合材料和引入微凝膠增強(qiáng)效應(yīng)(可視為兩相復(fù)合凝膠)。但是在不引入其他合成高分子的情況下,要提升纖維素水凝膠的拉伸性能主要需從交聯(lián)策略著手,設(shè)計(jì)出能量耗散能力強(qiáng)的超拉伸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前對于水凝膠的交聯(lián)策略主要有三種:物理交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)和雙交聯(lián)。常用的物理相互作用除了氫鍵外,還有疏水相互作用、離子相互作用和主-客體相互作用等。纖維素鏈上豐富的羥基與纖維素的三維立體構(gòu)象促使纖維素水凝膠自帶氫鍵交聯(lián)和鏈間交錯纏結(jié)。2019年,D.Liu等人誘導(dǎo)大腸桿菌產(chǎn)生大量的細(xì)菌纖維素,通過氫鍵直接交聯(lián)制備水凝膠。改性后的細(xì)菌纖維素水凝膠網(wǎng)絡(luò)致密但仍清晰,大拉伸率可達(dá)28.67%。另一方面,纖維素具有大量的氫鍵結(jié)構(gòu),這在很大程度上限制了室溫下它在水和有機(jī)介質(zhì)中的溶解度。隨著NaOH/尿素水體系、N-甲基嗎啉-N-氧化物水合物、離子液體等溶劑體系的開發(fā),通過重建再生纖維素分子間和分子內(nèi)的氫鍵,可以制備再生纖維素水凝膠。2019年,X.F.Zhang等人用高濃度的ZnCl2離子溶液溶解棉纖維素,并將離子化合物(ZnCl2/CaCl2)整合到纖維素水凝膠網(wǎng)絡(luò)中,得到Zn2+/Ca2+/纖維素配位鍵組成的物理交聯(lián)水凝膠,如圖1所示。這種新型纖維素基水凝膠拉伸率達(dá)到120.0%。


為了保證纖維素的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和有效溶脹,凝膠過程中,一般會加入化學(xué)交聯(lián)劑促進(jìn)三維網(wǎng)絡(luò)的共
價結(jié)合。目前報道多的化學(xué)交聯(lián)劑有環(huán)氧化物、烷基鹵化物和含環(huán)氧鹵化基團(tuán)的化合物等。鹵代烷與纖維素反應(yīng)需要較強(qiáng)的堿性環(huán)境,因此實(shí)際操作中常用含環(huán)氧鹵化基團(tuán)的化合物 (如環(huán)氧氯丙烷)進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)。2019年,X.Cui等人以豆渣中提取的纖維素為原料,通過向其中加入環(huán)氧氯丙烷 (ECH)與無水葡萄糖單元 (AGU),制備了具有良好機(jī)械性能的纖維素水凝膠。通過改變水凝膠的含水量,可調(diào)節(jié)機(jī)械性能,其大拉伸率可達(dá)107%?;瘜W(xué)交聯(lián)水凝膠也可以在交聯(lián)劑的存在下,通過單體自由基聚合得到,自由基聚合具有高反應(yīng)活性和對水環(huán)境的要求相對溫和等優(yōu)勢。2019年,R.P.Tong等人通過醚化改性在NaOH/尿素水溶液中制備烯丙基纖維素,再由熱引發(fā)自由基聚合得到纖維素水凝膠 (CIH),其具有高可拉伸性 (拉伸率126%)。通過合理調(diào)整化學(xué)交聯(lián)密度,還可以控制水凝膠的各項(xiàng)性能。此外,該 CIH 可以作為可靠和穩(wěn)定的應(yīng)變傳感器,并已成功用于監(jiān)測人類活動。


雙交聯(lián)水凝膠具有突出的性能優(yōu)勢,2016年,D.Zhao等人利用環(huán)氧氯丙烷加氫鍵交聯(lián)方法制備了雙交聯(lián) (DC)纖維素水凝膠,如圖2所示。研究了 DC纖維素水凝膠中化學(xué)交聯(lián)域和物理交聯(lián)域的形成和空間分布,發(fā)現(xiàn)環(huán)氧氯丙烷與葡萄糖單元的物質(zhì)的量的比和乙醇水溶液的濃度是調(diào)控 DC纖維素水凝膠力學(xué)性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)。2019年,D.D.Ye等人設(shè)計(jì)了一種綠色路線來制備超堅(jiān)韌的再生纖維素薄膜,在堿/尿素水溶液體系中溶解纖維素,向其中直接引入氫鍵,風(fēng)干后進(jìn)行結(jié)構(gòu)致密化處理,水凝膠的強(qiáng)度得到了提高,但拉伸率僅達(dá)到12.4%。為了得到超拉伸率的純纖維素水凝膠,再引入化學(xué)交聯(lián) (環(huán)氧氯丙烷)加氫鍵的組合形式,使棉纖維素的拉伸率由僅有氫鍵交聯(lián)時的12.4%提升到了44.1%。通過長短鏈和內(nèi)外層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),制備出雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水凝膠,外層短鏈增加損耗模量的同時,內(nèi)層長鏈交錯纏繞,大幅度提高了水 凝 膠 的  大 拉 伸 率。2019年,D.D.Ye等人通過纖維素與低分子量和高分子量交聯(lián)劑的序貫反應(yīng),構(gòu)建了化學(xué)雙交聯(lián)纖維素水凝膠 (DCH),得到了相對短鏈和長鏈的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。他們提出了DCH 的加固機(jī)理,短鏈交聯(lián)的斷裂有效地分散了機(jī)械能量,而長鏈交聯(lián)維持了 DCH 的彈性,因此,DCH 的大拉伸率達(dá)到94.5%,此短鏈和長鏈交聯(lián)的雙網(wǎng)絡(luò)對纖維素水凝膠力學(xué)性能的提高起到了重要作用。2019年,R.P.Tong 等人在自由基聚合得到纖維素水凝膠的基礎(chǔ)上,將水凝膠浸入飽和NaCl溶液中進(jìn)行物理交聯(lián),制備物化雙交聯(lián)纖維素水凝膠,其大拉伸率達(dá)到了236%。值得一提的是,該水凝膠應(yīng)變傳感器在測量手臂和手腕的彎曲等常規(guī)動作時信號穩(wěn)定、效果良好,并在-20℃時仍具有良好的拉伸性能,為柔性電子器件在大范圍溫度下的應(yīng)用提供了參考。截至目前,已有很多關(guān)于物理或化學(xué)策略用來構(gòu)建有效能量耗散機(jī)制的纖維素基水凝膠的研究。已報道的水凝膠的各種交聯(lián)策略及其拉伸率的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

在交聯(lián)方法已經(jīng)確定的情況下,還可以通過設(shè)計(jì)幾何結(jié)構(gòu)來滿足在實(shí)際應(yīng)用時的超拉伸要求。常
見的可拉伸結(jié)構(gòu)有:島橋、波浪/皺 紋、紡織和剪紙。對于水凝膠,常采用波浪結(jié)構(gòu)來提升其在應(yīng)用時的拉伸率。以纖維素水凝膠為例,在制備器件之前,先把水凝膠進(jìn)行預(yù)拉伸,然后將已被拉伸的水凝膠與其他器件進(jìn)行組合,隨后水凝膠收縮為波浪結(jié)構(gòu)。在施加應(yīng)變的情況下,水凝膠可以產(chǎn)生及時充分的形變且不被破壞,從而使整個襯底具備更強(qiáng)的拉伸能力。

摘自:《電子皮膚用纖維素水凝膠的研究進(jìn)展》 微納電子技術(shù)


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