兒茶酚化納米纖維素增黏水凝膠的制備及其性能研究

摘要：本研究采用自由基聚合技術(shù)，在室溫下成功合成了具有優(yōu)異拉伸和黏附性能的生物質(zhì)基水凝膠。在室溫下利用多巴胺對(duì)納米纖維素進(jìn)行改性得到PCNF，將其加入水凝膠體系中，有效提高了水凝膠的機(jī)械性能（斷裂應(yīng)變1 250%和斷裂應(yīng)力82. 0 kPa）。同時(shí)，利用兒茶酚基團(tuán)的可逆氧化還原反應(yīng)，賦予水凝膠較好的黏附性。結(jié)果表明，復(fù)合水凝膠在金屬鐵上的黏合強(qiáng)度高達(dá)22. 50 kPa。此外，該水凝膠組裝的應(yīng)變傳感器表現(xiàn)出良好靈敏度（GF=2. 768）、寬線性應(yīng)變范圍（高達(dá)500%，R2=0. 99）、較好的響應(yīng)時(shí)間（300 ms） 和良好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：納米纖維素；水凝膠；黏附性；傳感

中圖分類號(hào)：TS7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 01. 003

柔性傳感器因其靈活、便攜和舒適等特點(diǎn)備受關(guān)注，在健康管理、電子皮膚和人機(jī)交互界面等領(lǐng)域顯示出巨大潛力。目前，水凝膠已經(jīng)成為新一代可穿戴柔性傳感設(shè)備的理想基材。水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由具有一定規(guī)整度的聚合物鏈以交聯(lián)或非交聯(lián)形式構(gòu)成，其內(nèi)部含有大量親水基團(tuán)，如—OH、—NH2等；這些基團(tuán)皆能與水分子形成氫鍵，從而將其中的水分鎖住，避免流失[1]。傳統(tǒng)的水凝膠通常具有黏附力弱、穩(wěn)定性差、靈敏度低、使用壽命短、毒性低等問題，且大多水凝膠因功能單一無法得到廣泛應(yīng)用。生物質(zhì)組分因其具有來源廣泛、成本低、可再生和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，在水凝膠功能材料的制備及應(yīng)用領(lǐng)域展示出巨大潛力[2]。常見的生物質(zhì)材料包括蛋白質(zhì)（明膠[3]、大豆蛋白[4]、絲素蛋白[5]等） 和多糖類（殼聚糖[6]、纖維素[7]、海藻酸鹽[8]等），其與人體生物組織相似性較大，具備良好的生物相容性[9-10]，被廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互設(shè)備及人工智能等領(lǐng)域。納米纖維素作為生物質(zhì)基材料的典型代表，具有儲(chǔ)量豐富、比表面積高、生物相容性好和可再生等優(yōu)勢(shì)[11-13]。此外，納米纖維素可化學(xué)修飾程度高，其表面羥基易發(fā)生羧化、磺化、接枝和乙酰化等反應(yīng)[14]；化學(xué)改性能夠顯著提高納米纖維素的化學(xué)穩(wěn)定性和溶解度，其廣泛應(yīng)用提供更多可能[15]。研究發(fā)現(xiàn)，貽貝能夠產(chǎn)生具備兒茶酚基團(tuán)的黏液分子，可以通過氧化反應(yīng)和螯合作用等賦予貽貝在潮濕環(huán)境中的黏附特性，對(duì)各種有機(jī)或無機(jī)材料體現(xiàn)出強(qiáng)大的黏附能力[16-17]。多巴胺中的兒茶酚基團(tuán)被認(rèn)為是材料高黏附性能的關(guān)鍵所在[18-19]，其可以通過氫鍵、靜電、疏水、π-π堆積等多種相互作用與多類底物進(jìn)行黏附。Han等[20]將聚多巴胺（PDA） 引入聚丙烯酰胺（PAM） 網(wǎng)絡(luò)，制備了PAM復(fù)合水凝膠。結(jié)果表明，PAM復(fù)合水凝膠具有良好的黏附性能，黏附強(qiáng)度15.2 kPa。盡管研究人員已采用多種策略設(shè)計(jì)和開發(fā)具有高黏附性能的材料，但兼具良好黏附強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度等性能的復(fù)合水凝膠的制備仍具有很大的挑戰(zhàn)。

通常，在采用自由基聚合法制備水凝膠的過程中需要長(zhǎng)時(shí)間加熱處理，這是激活過硫酸銨引發(fā)劑并產(chǎn)生自由基的必要條件，該過程具有繁瑣和耗時(shí)的缺點(diǎn)[21]。本研究將兒茶酚基團(tuán)引入納米纖維素（CNF），制得多巴胺修飾的納米纖維素（PCNF），并以銀離子負(fù)載的PCNF（Ag@PCNF） 為催化系統(tǒng)，結(jié)合聚丙烯酰胺（PAM） 和甘油，通過一鍋法創(chuàng)新性地構(gòu)建了一種復(fù)合水凝膠材料Ag@PCNF/PAM，具體構(gòu)建示意圖如圖1所示，該復(fù)合水凝膠材料在柔性傳感領(lǐng)域具有一定的實(shí)用價(jià)值。由于兒茶酚基團(tuán)的可逆氧化還原反應(yīng)可以構(gòu)建一種動(dòng)態(tài)的催化系統(tǒng)，能夠用于水凝膠的快速構(gòu)建。PCNF的引入賦予了復(fù)合水凝膠更加優(yōu)異的黏附能力和良好的機(jī)械性能。將甘油引入復(fù)合水凝膠體系，從而提高水凝膠的保水性能，可以解決傳統(tǒng)水凝膠黏附性差、性能單一的問題。本研究探究了PCNF含量對(duì)復(fù)合水凝膠機(jī)械性能、黏附性能的影響，并對(duì)該復(fù)合水凝膠組裝傳感器的傳感性能進(jìn)行分析，制備得到具有優(yōu)異特性的多功能黏附水凝膠傳感材料。