基于竹纤维素碳纳米材料增强的超强韧粘附性水凝胶：抑制裂纹扩展机制与性能突破

本研究针对传统水凝胶机械性能不足、裂纹扩展不可控等关键问题，通过竹纤维素衍生碳纳米材料（C-BCN）与聚丙烯酰胺（PAM）的原位聚合，开发出兼具高断裂强度（363 kPa）、超拉伸性（2254%）、优异断裂能（30 kJ/m2）和导电性（0.21 S/m）的PAM-C-BCN水凝胶。其独特的界面共价交联与能量耗散机制为柔性电子和生物医学器件提供了创新解决方案。

　　

传统水凝胶在组织工程和柔性电子等领域应用广泛，但脆性大、易断裂的特性严重限制了其实际应用。裂纹扩展导致的应力集中和能量耗散不足是核心瓶颈，而现有纳米复合策略往往面临制备复杂或性能提升有限的困境。云南生物质材料国际联合研究中心（西南林业大学材料与化学工程学院）的研究团队创新性地从天然竹材出发，通过纤维素碳化与界面调控，开发出兼具超强韧性和多功能集成的智能水凝胶，相关成果发表于《Journal of Bioresources and Bioproducts》。

研究采用竹纤维素羧化-碳化制备碳纳米材料（C-BCN），通过紫外引发聚合将其嵌入聚丙烯酰胺（PAM）网络。关键技术包括：竹纤维的碱处理脱木质素、原位碳化合成15-20 nm的C-BCN（TEM表征）、低场核磁共振（L-NMR）分析水分子束缚状态，以及通过循环拉伸和裂纹扩展实验评估能量耗散机制。

3.1 材料设计与结构表征

通过XPS和FT-IR证实C-BCN表面丰富的羧基与PAM形成共价交联，氢键红移现象（O-H峰从3416 cm^-1移至3410 cm^-1）表明界面相互作用增强。XRD显示C-BCN的0.32 nm晶格间距（20°衍射峰）赋予网络石墨化增强效应。

3.2 力学与粘附性能

含25 wt% C-BCN的水凝胶展现363 kPa断裂强度和3.04 MJ/m³韧性，较纯PAM提升4.1%。独特的"软-硬"异质结构使裂纹尖端应力分散，在预制缺口下仍保持2257%伸长率（图4g）。其对猪皮的粘附强度达7.5 kPa（35°C），优于多数丙烯酰胺基水凝胶（<5 kPa）。

3.3 能量耗散机制

L-NMR显示C-BCN使水分子弛豫时间（T₂）从542 ms降至134 ms，表明束缚水比例提升。循环拉伸测试中（50次@80%应变），能量耗散率稳定在85%以上，归因于纳米纤维素与聚合物链的动态滑移（图4c-d）。

3.4 导电与传感应用

π-π共轭结构使水凝胶导电率达0.21 S/m，应变系数GF在325%应变时达33.02。540次拉伸循环后电阻信号波动<5%，成功监测吞咽、脉搏等生理活动（图5g-j）。

该研究通过生物质碳纳米材料的创新应用，实现了水凝胶力学-功能协同优化。C-BCN的多尺度增强机制为开发下一代柔性电子器件提供了新思路，其绿色制备工艺更凸显可持续性优势。未来可通过粒径均一化调控进一步提升性能，而碳材料的光热特性拓展了其在能源领域的应用潜力。