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，在室溫下成功合成了具有優異拉伸和黏附性能的生物質基水凝膠。在室溫下利用多巴胺對納米纖維素進行改性得到PCNF，將其加入水凝膠體系中，有效提高了水凝膠的機械性能（斷裂應變1 250%和斷裂應力82. 0 kPa）。同時，利用兒茶酚基團的可逆氧化還原反應，賦予水凝膠較好的黏附性。結果表明，復合水凝膠在金屬鐵上的黏合強度高達22. 50 kPa。此外，該水凝膠組裝的應變傳感器表現出良好靈敏度（GF=2. 768）、寬線性應變范圍（高達500%，R2=0. 99）、較好的響應時間（300 ms） 和良好的穩定性。

關鍵詞：納米纖維素；水凝膠；黏附性；傳感

中圖分類號：TS7 文獻標識碼：A DOI：10. 11980/j. issn. 0254-508X. 2025. 01. 003

柔性傳感器因其靈活、便攜和舒適等特點備受關注，在健康管理、電子皮膚和人機交互界面等領域顯示出巨大潛力。目前，水凝膠已經成為新一代可穿戴柔性傳感設備的理想基材。水凝膠的三維網絡結構是由具有一定規整度的聚合物鏈以交聯或非交聯形式構成，其內部含有大量親水基團，如—OH、—NH2等；這些基團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]。傳統的水凝膠通常具有黏附力弱、穩定性差、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用。生物質組分因其具有來源廣泛、成本低、可再生和可生物降解等優點，在水凝膠功能材料的制備及應用領域展示出巨大潛力[2]。常見的生物質材料包括蛋白質（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]，被廣泛應用于人機交互設備及人工智能等領域。納米纖維素作為生物質基材料的典型代表，具有儲量豐富、比表面積高、生物相容性好和可再生等優勢[11-13]。此外，納米纖維素可化學修飾程度高，其表面羥基易發生羧化、磺化、接枝和乙酰化等反應[14]；化學改性能夠顯著提高納米纖維素的化學穩定性和溶解度，其廣泛應用提供更多可能[15]。研究發現，貽貝能夠產生具備兒茶酚基團的黏液分子，可以通過氧化反應和螯合作用等賦予貽貝在潮濕環境中的黏附特性，對各種有機或無機材料體現出強大的黏附能力[16-17]。多巴胺中的兒茶酚基團被認為是材料高黏附性能的關鍵所在[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行黏附。Han等[20]將聚多巴胺（PDA） 引入聚丙烯酰胺（PAM） 網絡，制備了PAM復合水凝膠。結果表明，PAM復合水凝膠具有良好的黏附性能，黏附強度15.2 kPa。盡管研究人員已采用多種策略設計和開發具有高黏附性能的材料，但兼具良好黏附強度和機械強度等性能的復合水凝膠的制備仍具有很大的挑戰。

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