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  天然高分子基水凝膠在電子器件領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注，但是基于純天然高分子的水凝膠通常機(jī)械性能較差；另外水凝膠在零度以下不可避免地會(huì)凍結(jié)，大大限制了實(shí)際應(yīng)用。可見，采用天然高分子來制備高拉伸、壓縮和高強(qiáng)度的水凝膠仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

  為解決這一挑戰(zhàn)，來自華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的何明輝副研究員通過烯丙基纖維素在氫氧化鈉/尿素水溶液中的自由基聚合，獲得了高拉伸（~126%）和壓縮性能（~80%）的纖維素離子水凝膠。制備的纖維素離子水凝膠還具有較高的透明性（透過率~89%在550 nm處），導(dǎo)電性（~0.16 mS cm^-1）和電信號(hào)穩(wěn)定性。水凝膠中的離子還賦予其低溫適應(yīng)性，-20℃的工作環(huán)境下沒有導(dǎo)致透明度的降低。該導(dǎo)電水凝膠可用于制備可靠的應(yīng)變傳感器，用于檢測(cè)人體活動(dòng)。本研究將有助于纖維素基離子水凝膠構(gòu)建具有高機(jī)械強(qiáng)度、透明的柔性電子器件。

圖1.纖維素離子水凝膠的合成示意圖。

  研究人員制備了不同取代度的烯丙基纖維素（烯丙基縮水甘油醚用量與纖維素上的脫水葡萄糖單元摩爾比5到9），并用其制備了不同種類的纖維素離子水凝膠（過硫酸銨用量分別為0.6 wt%、1.0 wt%、1.5 wt%、2.0 wt%、2.5 wt%、3.0 wt%），并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征（圖2）。

圖2. A）纖維素和烯丙基纖維素的¹H-NMR譜圖，烯丙基縮水甘油醚用量與纖維素上的脫水葡萄糖單元摩爾比5到9；B）烯丙基纖維素的取代度；纖維素、烯丙基纖維素、纖維素離子水凝膠（CIH8-1.0）的C）ATR- FTIR光譜和D）XRD圖譜。

  纖維素離子水凝膠的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能具有可調(diào)性（圖3和圖4）。通過調(diào)節(jié)烯丙基縮水甘油醚和過硫酸銨的用量，制備得到的水凝膠在纖維素、幾丁質(zhì)、殼聚糖等純天然高分子基水凝膠中具有最好的拉伸性能(拉伸應(yīng)變可達(dá)126%)和壓縮性能(壓縮應(yīng)變可達(dá)80%)。水凝膠中的離子還賦予其低溫適應(yīng)性，-20℃的工作環(huán)境下沒有透明度的降低（圖4D）。

圖3.纖維素離子水凝膠的機(jī)械性能。A）不同含量過硫酸銨的纖維素離子水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；B）含有不同用量的烯丙基縮水甘油醚的纖維素離子水凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線；C）水凝膠在壓縮模式下的模量及斷裂功；D）不同含量過硫酸銨的纖維素離子水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；E）含有不同用量的烯丙基縮水甘油醚的纖維素離子水凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；F）水凝膠在拉伸模式下的楊氏模量和斷裂功；G）壓縮和H）拉伸性能的比較。

圖4.纖維素離子水凝膠的導(dǎo)電性能。A）電化學(xué)阻抗譜圖；B)電化學(xué)阻抗高頻區(qū)域；C）電導(dǎo)率；D）熱穩(wěn)定性。

  具有良好拉伸性、壓縮性、可靠性和穩(wěn)定性的導(dǎo)電凝膠可作為穿戴式應(yīng)變傳感器用于監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)（圖5）。

圖5.纖維素離子水凝膠應(yīng)用于傳感器的電信號(hào)。A）和B）電阻對(duì)施加拉伸應(yīng)變和壓縮應(yīng)變的依賴性；C）循環(huán)1100次的電阻變化曲線；D）應(yīng)變傳感器在監(jiān)測(cè)人體活動(dòng)中的腕部彎曲響應(yīng)。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Biomacromolecules（2019，20，2096-2104），并入選為當(dāng)期的封面論文。論文的第一作者為華南理工大學(xué)博士生仝瑞平，通訊作者為華南理工大學(xué)何明輝副研究員，華南理工大學(xué)陳廣學(xué)教授給了很多建設(shè)性的指導(dǎo)。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b00322