基于金属基低共熔溶剂的高强度环境稳定木材共晶凝胶及其在柔性传感中的应用

《Journal of Bioresources and Bioproducts》：High-Strength and Environmentally Stable Wood Conductive Eutectogels Enabled by Metal-Based Deep Eutectic Solvents

本研究针对传统导电凝胶机械强度不足和环境稳定性差的问题，开发了一种将ZnCl2/EG/AA三元金属基低共熔溶剂（MDES）注入木材骨架（WS）并通过紫外引发聚合制备MDES/WS共晶凝胶的新策略。该凝胶展现出41.50 MPa的高拉伸强度、2.82×10–2S/m的离子电导率以及-60~100°C的宽温域稳定性，成功应用于人体运动监测和莫尔斯码信息传输，为极端环境下操作的柔性电子器件提供了可持续材料平台。

　　

在柔性电子和可穿戴设备迅猛发展的今天，导电凝胶材料因其独特的柔软性和生物相容性而备受关注。然而，传统水凝胶材料面临两大技术瓶颈：机械强度薄弱易损，以及环境稳定性差——易脱水或在温度变化下性能急剧衰减。这严重限制了其在真实场景中的应用，特别是在需要耐久性和可靠性的极端环境下。开发兼具高强度、高导电性和宽温域稳定性的新型凝胶材料，成为材料科学领域亟待突破的挑战。

正是在这一背景下，南京林业大学的研究团队独辟蹊径，将目光投向了自然界中储量丰富、具有固有高强度和各向异性多孔结构的木材。他们创新性地融合金属基低共熔溶剂（MDES）技术与木材模板，在《Journal of Bioresources and Bioproducts》上发表了一项引人注目的研究成果，成功制备出高性能的木材共晶凝胶（Eutectogels）。

本研究的关键技术方法主要包括：首先，采用低温碱处理结合化学处理（NaClO₂）从天然椴木中提取保留蜂窝状微观结构的木材骨架（WS），有效去除了木质素和半纤维素。其次，配制由氯化锌（ZnCl₂）、丙烯酸（AA）和乙二醇（EG）组成的三元金属基低共熔溶剂（MDES）体系。最后，将MDES注入WS后，在无需额外引发剂和交联剂的条件下，通过紫外光（UV）引发AA原位聚合形成聚丙烯酸（PAA）网络，从而构建复合凝胶。

3.1. 共晶凝胶的设计与合成

研究人员通过先脱除基质再注入MDES并紫外聚合的策略，构建了MDES/WS共晶凝胶。其中，Zn²⁺与PAA的羧基形成金属配位键，PAA链与纤维素纳米纤维之间产生氢键，这两种强相互作用是凝胶获得优异性能的关键。EG不仅作为氢键供体，还起到了降低MDES粘度、减少内部摩擦的作用，从而增强了凝胶的韧性。

3.2. 形貌与化学表征

扫描电镜（FE-SEM）观察显示，处理后的木材骨架（WS）成功保留了天然木材的蜂窝状微观结构，并产生了丰富的微孔，为MDES的均匀渗透和填充提供了空间。能量色散X射线光谱（EDS） mapping证实Zn²⁺在凝胶中分布均匀。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析表明，成功去除木质素和半纤维素后，PAA与WS纤维素上的羟基形成了强氢键作用。

3.3. 机械性能

力学测试结果表明，优化配比的Zn-EG₂AA₂/WS共晶凝胶表现出卓越的机械性能，其纵向拉伸强度高达41.50 MPa，韧性达到8.4 MJ/m³，显著优于大多数已报道的凝胶体系。这种高性能源于木材骨架的各向异性增强、氢键以及Zn²⁺配位键的协同作用。循环加卸载测试中观察到的显著滞后环，证实了材料通过牺牲键（氢键和配位键）有效耗散能量的能力。

3.4. 环境耐受性

差示扫描量热法（DSC）曲线在-60至100°C范围内未出现冻结峰，证明凝胶具有良好的低温稳定性。凝胶在25°C放置7天后仍能保持97.8%的拉伸强度。电导率测试显示，其离子电导率在25°C时为2.82×10^–2S/m，且随温度升高而增加（60°C时为4.39×10^–2S/m）。即使在-20°C的低温下，凝胶仍能弯曲而不破裂，显示出优异的抗冻性能。

3.5. MDES/WS共晶凝胶的传感性能

基于上述优点，研究人员将Zn-EG₂AA₂/WS共晶凝胶组装成柔性传感器，用于监测人体不同关节（手指、肘部、手腕、脚踝、膝盖）的运动。传感器能产生稳定、可区分的电信号响应，信号幅值与关节弯曲程度或施加压力的大小成正相关。此外，传感器还能对高温刺激产生响应，并能通过按压输入莫尔斯码（如“SOS”求救信号），展现出其在信息传输和多功能传感方面的应用潜力。

综上所述，本研究成功开发了一种基于木材骨架和金属基低共熔溶剂的高性能共晶凝胶。该材料巧妙地结合了天然木材的坚固骨架、MDES的高导电性和环境稳定性，以及聚合物网络的柔韧性，实现了机械强度、导电性和环境耐受性的卓越平衡。这项工作不仅为解决导电凝胶材料的固有机械脆弱性和环境敏感性难题提供了创新性的解决方案，而且全部采用生物基原料和绿色制备工艺，凸显了其可持续性。所展示的其在柔性传感、运动监测和信息传输方面的应用潜力，为下一代可在极端条件下可靠工作的柔性电子设备奠定了材料基础，为可持续功能材料的发展开辟了新的范式。