木质素基超拉伸共晶凝胶的制备及其多功能传感应用研究

一、研究团队与发表信息
本研究由南京林业大学化学工程学院钱倩倩（Qianqian Jia）与中国林科院林产化学工业研究所王新宇（Xinyu Wang）作为共同第一作者，陆传伟（Chuanwei Lu）教授为通讯作者，联合中国林业科学研究院等机构合作完成。研究成果发表于《International Journal of Biological Macromolecules》2025年第294卷，论文标题为“Lignin-enabled ultra-stretchable eutectic gels for multifunctional sensors”。

二、学术背景与研究目标
科学领域：本研究属于柔性电子材料与生物基高分子交叉领域，聚焦于开发新型可穿戴传感器材料。
研究动机：传统水凝胶/有机凝胶因溶剂挥发、低温冻结或生物相容性差等问题，限制了其在柔性电子中的应用。共晶凝胶（eutectic gels）虽具环境稳定性，但现有材料的拉伸性（<2000%）和自粘附性能不足。 **关键科学问题**：如何通过木质素（lignin）的引入构建动态交联网络，实现超拉伸性（>4000%）、高导电性与自粘附性的协同提升。
研究目标：开发一种基于木质素动态交联的共晶凝胶（LEG），并应用于人体运动监测与信息加密系统。

三、研究方法与流程
1. 材料设计与制备
- 原料：碱木质素（alkali lignin, AL）、丙烯酸（acrylic acid, AA）、甜菜碱（betaine）、乙二醇（ethylene glycol, EG）及光引发剂2959。
- 共晶凝胶合成：将AA/EG/甜菜碱/木质素按比例混合（木质素含量0.5-2 wt%），在95℃下搅拌形成聚合物共晶溶剂（PDES），紫外光引发原位聚合（365 nm，20分钟），获得透明凝胶（LEG-1至LEG-3）。

1. 结构表征与性能测试

   • 化学结构：通过FT-IR证实木质素与PAA链间氢键作用（-OH峰红移至3302 cm⁻¹）；XPS显示C-O键结合能偏移，验证动态氢键网络。
     
   • 力学性能：万能试验机测试拉伸性（LEG-1断裂伸长率4845%）和粘附强度（铝基底达97.4 kPa）；流变学分析显示储能模量（G’）随木质素含量增加而提升。
     
   • 导电性：四探针法测定离子电导率（2.02 mS/m），-20℃下仍保持1.03 mS/m，体现抗冻性能。
     

2. 传感应用验证

   • 应变传感器组装：将LEG连接至数字万用表，监测拉伸时的电阻变化（ΔR/R₀）。
     
   • 性能指标：灵敏度（GF=7.22）、响应时间（142.31 ms）、循环稳定性（1000次拉伸后信号稳定）。
     
   • 实际应用测试：监测面部表情（皱眉、微笑）、语音振动（“Hi”“SOS”）、关节运动（手指弯曲）及摩尔斯电码加密传输。
     

四、主要研究结果
1. 超拉伸机制：木质素作为动态交联点，与PAA链通过氢键形成可逆网络。拉伸时氢键断裂-重组分散应力，有限元模拟显示应力均匀分布（对比无木质素样品的局部集中）。
2. 自粘附性能：木质素酚羟基与基底形成氢键/π-π堆积，粘附强度达87.6 kPa（玻璃）且循环10次后保留71.2%。
3. 传感性能：宽应变范围（0-1200%）、高灵敏度（GF分三区：2.¹³⁄₄.02/7.22）及低温稳定性（-20℃下ΔR/R₀仍可测）。

五、研究结论与价值
科学价值：
- 提出“木质素动态交联”策略，解决共晶凝胶力学性能与导电性难以兼顾的难题。
- 揭示氢键网络对超拉伸性（4845%）和环境稳定性的调控机制。
应用价值：
- 为可穿戴传感器提供高性能材料，适用于极端环境（-20~60℃）下的健康监测与信息加密。
- 推动生物质资源（木质素）在高值化柔性电子中的应用。

六、研究亮点
1. 创新方法：首次将木质素作为动态交联介质引入PDES体系，实现超拉伸与自粘附的协同设计。
2. 性能突破：拉伸性（4845%）和粘附强度（97.4 kPa）远超同类木质素凝胶（文献值<1500%、<300 kPa）。
3. 多功能集成：单材料同时具备导电、自愈合、抗冻特性，简化传感器结构设计。

其他价值：
- 细胞毒性实验证实生物相容性（HEK-293细胞存活率>95%），支持医疗应用潜力。
- 摩尔斯电码加密演示拓展了其在人机交互与信息安全领域的应用场景。

（全文约2000字）