本研究由Haoran Shi、Huanxin Huo、Hongxing Yang、Hongshan Li、Jingjie Shen、Jianyong Wan、Guanben Du和Long Yang共同完成，作者主要来自西南林业大学（Southwest Forestry University）的云南省木材胶黏剂及胶合制品重点实验室（Yunnan Province Key Lab of Wood Adhesives and Glued Products）和国际生物质材料联合研究中心（International Joint Research Center for Biomass Materials）。研究成果发表于《Advanced Functional Materials》期刊，并于2024年7月25日在线发表。
学术背景
本研究属于功能材料与柔性电子领域，聚焦于纤维素基导电水凝胶的开发。传统水凝胶（如聚丙烯酰胺水凝胶）虽具有优异的保湿性和生物相容性，但其机械强度不足，且纤维素中大量羟基易吸收游离水导致溶胀，进而降低粘附性能。为解决这些问题，本研究提出通过疏水改性纤维素减少其吸水率，并通过希夫碱反应（Schiff-base reaction）将明胶（gelatin）与纤维素交联，形成双网络结构，从而提升水凝胶的抗溶胀性、冻融稳定性和粘附性能。研究目标包括开发一种兼具高粘附力（达3.0 MPa）、导电性（GF=1.51）和环境稳定性的柔性传感器材料。
研究流程
材料制备
- 二醛纤维素（DAC）合成：以微晶纤维素（MCC）为原料，通过高碘酸钠（NaIO₄）氧化其C2和C3位羟基生成醛基，氧化度为0.5。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）确认醛基生成（1725 cm⁻¹处C=O伸缩振动峰）。
- 水凝胶构建：将DAC与不同比例明胶（1.25-5 wt%）通过希夫碱反应交联，形成第一网络；随后加入丙烯酰胺（PAM）聚合形成第二网络，最终获得PAM/DAC-Gel双网络水凝胶。通过滴定法测定希夫碱反应程度，优化明胶比例为2.5 wt%时粘附性能最佳。
表征与分析
- 结构表征：扫描电子显微镜（SEM）显示水凝胶具有三维多孔结构，孔径较大且孔壁较厚（图S5）。FT-IR和XPS证实C=N（1590 cm⁻¹）和C-N（1440 cm⁻¹）键的形成，验证了双网络交联。
- 性能测试：
- 抗溶胀性：PAM/DAC-2Gel的吸水率（18倍）显著低于PAM/MCC（30倍），接触角测试显示其渗透性更高（图S7）。
- 机械性能：拉伸测试表明，2.5 wt%明胶比例下水凝胶的断裂伸长率达520%，拉伸强度为0.047 MPa（图4l）。
- 粘附性：对木材和竹材的粘附强度达3.0 MPa，对铝和猪皮的粘附强度分别为240 kPa和8.6 kPa（图4e-f）。
- 导电性：Na⁺的引入使水凝胶电导率稳定，应变传感灵敏度（GF）为1.51（图5c）。
应用验证
- 柔性传感器：将水凝胶贴附于人体关节（手指、膝盖等），实时监测弯曲动作，电阻信号随应变变化稳定（图5k-m）。
- 环保胶黏剂：在木材和竹材粘接中表现出高剪切强度（4 MPa），且在潮湿环境中保持性能（图6a-h）。
- 智能家居：构建基于水凝胶的木质门报警系统，通过电路通断控制LED灯状态（图6i）。
主要结果
- 双网络增强性能：希夫碱反应形成的交联网络增加了结合水比例，降低游离水含量，从而提升抗溶胀性（图3d）和冻融稳定性（DSC显示凝固点降至-13.09°C）。
- 粘附机制：内部疏水性使水分子快速渗透，减少表面残留，维持长期粘附（图4g-h）。
- 导电性：Na⁺通过纳米流体通道（nanofluidic channels）实现离子传输，赋予稳定的电导率（图5a-b）。
结论与价值
本研究通过纤维素疏水改性和双网络设计，开发了一种兼具高粘附性、导电性和环境稳定性的水凝胶。其科学价值在于揭示了双网络结构与水分子状态的调控关系；应用价值体现在柔性电子皮肤（electronic skin）和环保胶黏剂领域。例如，该水凝胶可作为可持续的木材粘接材料，或用于医疗监测设备。
研究亮点
- 创新方法：首次将DAC与明胶通过希夫碱反应结合，构建双网络水凝胶。
- 性能突破：粘附强度（3.0 MPa）和导电灵敏度（GF=1.51）优于多数报道材料（图4k）。
- 多场景适用性：在湿度>99%或酸碱环境中仍保持性能（图4j），拓展了应用场景。
其他价值
研究还验证了纳米纤维素（nanocellulose）替代MCC的可行性（图S17），为材料多样化设计提供了新思路。