原位酯化与非共价交联协同构建高强度导电纤维素/PAA凝胶及其自适应传感应用

针对纤维素基凝胶机械强度不足与制备工艺复杂的问题，研究人员通过聚合物低共熔溶剂（PDES）介导的原位酯化与光聚合策略，构建了兼具高韧性（4.24 MJ/m3 ）和导电性（4.7 mS/cm）的纤维素/聚丙烯酸（PAA）双网络凝胶，为柔性传感器开发提供了绿色高效的解决方案。

　　

纤维素作为自然界最丰富的可再生生物聚合物，因其优异的生物相容性和结构可调性，在柔性电子皮肤、可穿戴设备等领域展现出巨大潜力。然而，传统纤维素凝胶面临两大瓶颈：一是机械性能不足，拉伸强度普遍低于1 MPa；二是制备过程依赖有毒引发剂（如APS）和交联剂（如BIS），且需耗时24小时以上的多步反应。这些限制严重阻碍了其实际应用。

为解决这一难题，东北林业大学的研究团队创新性地开发了一种基于聚合物低共熔溶剂（PDES: ZnCl₂
/AA/H₂
O）的一体化策略。该系统仅需30分钟即可高效溶解7 wt%以上的纸浆纤维素，同时通过原位酯化反应将丙烯酸（AA）接枝到纤维素骨架上。更巧妙的是，PDES的氢键供受特性与酯键形成协同诱导电子离域效应，实现了无需外加引发剂的光聚合过程。这种"溶解-修饰-聚合"三位一体的方法，成功构建了共价交联（酯键）与非共价作用（氢键、Zn²⁺
配位）协同的双网络结构。相关成果发表在《Progress in Natural Science: Materials International》上。

关键技术包括：1）PDES溶剂体系的优化配比（ZnCl₂
/AA/H₂
O摩尔比1:3）；2）紫外光引发无外源引发剂的AA聚合；3）通过流变学测试和X射线衍射（XRD）表征网络结构；4）使用纸浆纤维素（聚合度1400）作为原料。

主要研究结果

1. 纤维素溶解与AA聚合
   PDES中Zn²⁺
   与纤维素羟基的配位作用破坏结晶区，30分钟内溶解效率达7 wt%。同步进行的原位酯化使AA接枝率高达68%，FTIR光谱在1730 cm^-1
   处出现特征酯羰基峰。

2. 双网络结构构建
   小角X射线散射（SAXS）显示纤维素微纤（直径20-50 nm）与PAA网络形成互穿结构。动态力学分析表明储能模量提升至纯纤维素凝胶的18倍，归因于酯键共价交联与多重氢键的协同作用。

3. 机械与导电性能
   拉伸测试显示极限强度达12.6 MPa，断裂能4.24 MJ/m³
   ，分别是纯纤维素凝胶的17.67倍和23.5倍。Zn²⁺
   与-COO-基团形成的离子通道使电导率达4.7 mS/cm，可实时监测人体关节运动（响应时间<200 ms）。

结论与意义
该研究通过PDES介导的"溶解-功能化-聚合"一体化策略，突破了传统凝胶制备的环保性、效率与性能瓶颈。其创新性体现在：1）首次实现纤维素溶解与功能修饰同步完成；2）利用溶剂本征特性实现无外源引发剂的光聚合；3）通过Zn²⁺
离子传导与双网络结构协同，同时解决机械强度与导电性矛盾。这种绿色高效的制备方法为生物基柔性电子器件开发提供了新范式，在智能医疗监测、人机交互界面等领域具有重要应用前景。