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【编委专辑】南京林业大学蒋少华教授：纳米纤维素基水凝胶的制备及其在传感器中的应用进展

2023-06-16 09:28

引用本文：丁梓译，金浩天，马晓帆，等. 纳米纤维素基水凝胶的制备及其在传感器中的应用进展[J]. 化学试剂，45(6)：61-68.

DOI:10.13822/j.cnki.hxsj.2023.0058

蒋少华《化学试剂》编委

南京林业大学材料科学与工程学院教授，博导。2014年于德国拜罗伊特大学获得自然科学博士学位，之后在德国Neue Materialien Bayreuth GmbH和TransMIT GmbH从事材料研发工作，2017年底入职南京林业大学材料科学与工程学院。入选“江苏特聘教授”，江苏省“六大人才高峰”高层次人才，国家林草局林草科技创新青年拔尖人才。担任 “E-POLYMERS”副主编，“Chinese Chemical Letters”青年编委，Advanced Powder Materials特聘编委，《化学试剂》编委，《林业工程学报》青年编委。在Chem，Advanced Materials, EES, Angewandte Chemie, ACS Nano, Advanced Functional Materials, Nano Today, Engineer等国内外期刊发表论文论著200余篇，引用10000余次，H因子58。入选ESI高被引论文25篇，热点论文4篇。

背景介绍

天然纤维素中提取出来的纳米纤维素是一种天然、可再生的纳米尺度的一维材料。纳米纤维素来源十分广泛，可从地球上很多可再生物质中分离出来，是一种环境友好的材料。水凝胶是一种具有三维网络亲水聚合物具有高吸水性、良好的生物相容性，常被用于传感检测、可穿戴设备等领域。因此基于可再生、环境友好资源制备的纳米纤维素水凝胶成为了水凝胶在传感领域应用理想材料。

文章亮点

总结了纳米纤维素基水凝胶的几种制备方式及其在传感领域的应用；

通过将纳米纤维素基水凝胶传感器与其他传感器进行对比，显示出纳米纤维素基水凝胶传感器在压力与应变检测、pH检测、湿度检测等领域的优势；

针对目前纳米纤维素基水凝胶在制备、应用中存在的一些挑战提出了展望。

内容介绍

纳米纤维素基水凝胶的制备策略

1.1 物理交联

1.1.1 低温聚合交联法

低温聚合交联法是指通过低温处理，使得纳米纤维素在极低的温度中进行聚合（如液氮）。在每个冷冻-融化的循环中，纳米纤维素都经历了冷冻、储存、解冻三个阶段。Butylina等^[19]已经证明这三个阶段中的任何一个阶段，纳米纤维素间都可以形成氢键（表1）。因此冻融循环次数与水凝胶的机械强度、热稳定性呈正相关（表1）。由于其没有有机溶剂与化学交联剂的加入，因此这种方法所制备的纳米纤维素基水凝胶在原料的选择是绿色可靠的。然而，此法由于需要经历多次解冻的阶段，因此也需要消耗大量能源。

表1 PVA和PVA/CNC1的再水合水凝胶在50%压缩应变水平下的机械性能

1.1.2 粒子辐照法

利用高能粒子（如β粒子、γ射线或者X射线等）的电离辐射完成的交联方式被称作辐照交联法（图1）^[20]。

图1 高能粒子辐照交联示意图^[20]

1.1.3 相转换法

相转换法通过相位转换，将聚合物在没有化学交联剂的情况下从液态转化为固态。此法已被广泛应用于含有无机盐的有机溶剂或离子试剂中制备非木质生物的纤维素水凝胶。

1.2 化学交联

1.2.1 水溶液聚合法

因为其简便、低成本、可用反应温度控制等优势，水溶液聚合法已经被广泛的用于聚合纳米纤维素纤丝和纳米纤维素晶^{[28, 29]}。

图2 预期结构、组成、功能的聚合物示意^[28]

1.2.2 反向悬浮聚合法

几乎所有亲水性单体都可以利用反向悬浮聚合法进行聚合^[29]。此法在聚合过程中会形成水相和有机相。水相含有聚合单体和交联剂，会被均匀的分散在有机相中，形成所需直径的球形颗粒，与有机相充分接触从而交联。

图3 缓释体系被凝胶堵塞的示意^[33]

1.3 其他新兴交联法

利用化学方法进行轻度的表面预处理，利用物理方式进行交联，可极大地降低在生产过程中物理交联所需要的能耗，提高物理交联的效率，甚至可制备出有更好机械性能的双交联超强水凝胶^[36]。

纳米纤维素基水凝胶在传感器中的引用

2.1 压力应变传感器

利用纳米纤维素基易变形、可恢复的特性可将其制作为压力传感器。

2.2 pH与葡萄糖传感器

加入溴化十六烷基三甲基铵（CTAB）指示剂后，可用于人体体液的pH检测。

2.3 湿度传感器

在单模光纤（SMF）表面覆盖水凝胶，可制造光纤相对湿度传感器（FORHS）以检测环境湿度。

2.4 生物酶传感器

使用含有石墨烯量子点（GQD）的纳米纤维素基(NC)水凝胶可以用于检测漆酶。

总结与展望

本文总结了纳米纤维素基水凝胶几种目前可行的制备方式及其在传感领域的应用。通过对水凝胶的生产原理进行分析，从产品性能、绿色生产、成本工艺等角度比较了不同生产方式之间的优劣。通过将纳米纤维素基水凝胶传感器与其他传感器进行对比，显示出纳米纤维素基水凝胶传感器在压力与应变检测、pH检测、湿度检测等领域的优势。

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