近年來，具有優(yōu)良導(dǎo)電及磁響應(yīng)性的水凝膠因在可穿戴應(yīng)變傳感等生物醫(yī)學(xué)設(shè)備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到研究者們的廣泛關(guān)注。然而現(xiàn)有的電磁水凝膠大多存在兩方面的主要問題，一方面是缺乏良好的力學(xué)性能，這極大的限制了電磁水凝膠的實際應(yīng)用；另一方面是制備方法比較復(fù)雜，成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。因此，急需探索一種簡單有效的新方法來制備兼具良好力學(xué)性能、優(yōu)異導(dǎo)電性和磁響應(yīng)性的水凝膠。
最近，太原理工大學(xué)王艷芹副教授課題組提出通過順次原位法在聚乙烯醇（PVA）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部依次生成具有導(dǎo)電性能的聚吡咯（PPy）和具有磁響應(yīng)性的四氧化三鐵（Fe3O4）納米粒子，最終得到具有良好力學(xué)性能的電磁水凝膠（Fe3O4/PPy/PVA）（制備流程如圖1所示）。
圖1.Fe3O4/PPy/PVA電磁水凝膠的制備過程示意圖。插入圖片分別代表(a)Py/PVA溶液，(b)Py/PVA水凝膠，(c)PPy/PVA水凝膠，(d)Fe3O4/PPy/PVA水凝膠。
該課題組先以Fe3+為氧化劑在Py/PVA水凝膠內(nèi)采用原位氧化法生成PPy，然后又通過原位沉淀法在PPy/PVA水凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生成具有不同形貌的Fe3O4納米顆粒（如圖2），最終得到Fe3O4/PPy/PVA電磁水凝膠。
圖2.水凝膠的形貌圖。PPy/PVA水凝膠的a(i)表面、a(ii)橫截面HRSEM圖，圖b(i)、c(i)、d(i)分別代表在0.5 M、2.5 M、5.0 M NaOH溶液中制備的Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的HRSEM圖，b(ii)、c(ii)、d(ii)分別代表Fe3O4/PPy/PVA水凝膠內(nèi)生成的Fe3O4納米顆粒HRSEM圖。
更重要的是，通過控制吡咯的濃度、浸泡Fe2+/Fe3+混合溶液的時間、浸泡氫氧化鈉溶液的濃度，可以精確調(diào)控該復(fù)合水凝膠的力、電、磁學(xué)性能（圖3，圖4）。
圖3.Py含量不同的PPy/PVA水凝膠的(a)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,(b)彈性模量,(c)電導(dǎo)率；Py含量為0.4 M，在Fe2+/Fe3+溶液中浸泡0h、4h、8h、12h,0.5 M NaOH溶液中浸泡12h的Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的(d)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線,(e)彈性模量,(f)電導(dǎo)率。
圖4.在Fe2+/Fe3+溶液中浸泡12h，分別在0.5 M、2.5 M、5.0 M NaOH溶液中浸泡12h制備的Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的(a)電導(dǎo)率，(b)磁滯回線；在Fe2+/Fe3+溶液中浸泡0h、4h、12h,在0.5 M NaOH溶液中浸泡12h的Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的(c)磁滯回線。
由于獨特的制備方法，聚吡咯在PVA網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的均勻分散為電子的傳輸提供連續(xù)通道，使得Fe3O4/PPy/PVA水凝膠具有優(yōu)異的導(dǎo)電性（1.95±0.17 E-4 S cm-1）；Fe3O4納米顆粒在PVA網(wǎng)絡(luò)的模板作用下沿著PPy/PVA水凝膠骨架均勻生成，賦予凝膠良好的磁響應(yīng)性（最大磁飽和強度為5.42 emu g-1）和力學(xué)性能（拉伸強度 575.03±28.32 kPa，彈性模量 461.19±24.75 kPa）。最后，該研究團隊對Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的應(yīng)變傳感性能和磁導(dǎo)航性能進行了測試，結(jié)果表明該Fe3O4/PPy/PVA水凝膠具有發(fā)展為應(yīng)變傳感器及磁導(dǎo)航儀的前景（如圖5所示）。
圖5.Fe3O4/PPy/PVA水凝膠在(a)不同應(yīng)變(0%、25%、50%、75%、100%),(b)從0%到100%的300次連續(xù)應(yīng)變過程對應(yīng)的阻抗變化；Fe3O4/PPy/PVA水凝膠隨手指彎曲不同角度(0°、30°、5°、90°)的(c)圖片，(d)應(yīng)變阻抗變化；(e)Fe3O4/PPy/PVA水凝膠的磁導(dǎo)航示意圖。
上述工作以Sequential in-situ route to synthesize novel composite hydrogels with excellent mechanical, conductive, and magnetic responsive properties為題發(fā)表于Materials & Design. DOI information: 10.1016/j.matdes.2020.108759。第一作者為太原理工大學(xué)王艷芹副教授，碩士研究生朱亞萍為共同第一作者，通訊作者為王艷芹副教授及陳維毅教授。
論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127520302938?via%3Dihub
