太原理工陈维毅教授课题组《Materials & Design》：兼具优良力、电、磁学性能的复合水凝胶制备及应变传感、磁导航应用

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近年来，具有优良导电及磁响应性的水凝胶因在可穿戴应变传感等生物医学设备领域的广泛应用而受到研究者们的广泛关注。然而现有的电磁水凝胶大多存在两方面的主要问题，一方面是缺乏良好的力学性能，这极大的限制了电磁水凝胶的实际应用；另一方面是制备方法比较复杂，成本高，不适合大规模生产。因此，急需探索一种简单有效的新方法来制备兼具良好力学性能、优异导电性和磁响应性的水凝胶。

最近，太原理工大学陈维毅教授课题组提出通过顺次原位法在聚乙烯醇（PVA）网络内部依次生成具有导电性能的聚吡咯（PPy）和具有磁响应性的四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米粒子，最终得到具有良好力学性能的电磁水凝胶（Fe₃O₄/PPy/PVA）（制备流程如图1所示）。

图1.Fe₃O₄/PPy/PVA电磁水凝胶的制备过程示意图。插图所示照片分别为(a)Py/PVA溶液，(b)Py/PVA水凝胶，(c)PPy/PVA水凝胶，(d)Fe₃O₄/PPy/PVA水凝胶。

该课题组先以Fe³⁺为氧化剂在Py/PVA水凝胶内生成PPy，然后又通过原位沉淀法在PPy/PVA水凝胶网络内生成具有不同形貌的Fe₃O₄纳米颗粒（如图2），最终得到Fe₃O₄/PPy/PVA电磁水凝胶。

图2.水凝胶的形貌图。PPy/PVA水凝胶的a(i)表面、a(ii)横截面HRSEM图，图b(i)、c(i)、d(i)分别代表在0.5 M、2.5 M、5.0 M NaOH溶液中制备的Fe₃O₄/PPy/PVA水凝胶的HRSEM图，b(ii)、c(ii)、d(ii)分别代表Fe₃O₄/PPy/PVA水凝胶内生成的Fe₃O₄纳米颗粒HRSEM图。

更重要的是，通过控制吡咯的浓度、浸泡Fe²⁺/Fe³⁺混合溶液的时间、浸泡氢氧化钠溶液的浓度，可以精确调控该复合水凝胶的力、电、磁学性能（图3，图4）。

图3.不同Py掺杂浓度（0 M、0.1 M、0.2 M、0.4 M）下制备所得PPy/PVA水凝胶的(a)拉伸应力-应变曲线,(b)弹性模量,(c)电导率；PPy/PVA水凝胶先在Fe2+/Fe3+混合溶液中分别浸泡0h、4h、8h、12h，再于0.5 M NaOH溶液中浸泡12h后，制备所得Fe3O4/PPy/PVA水凝胶的(d)拉伸应力-应变曲线,(e)弹性模量,(f)电导率。

图4.在Fe²⁺/Fe³⁺溶液中浸泡12h，分别在0.5 M、2.5 M、5.0 M NaOH溶液中浸泡12h制备的Fe₃O₄/PPy/PVA水凝胶的(a)电导率，(b)磁滞回线；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水凝胶的(c)磁滞回线。

由于独特的制备方法，聚吡咯在PVA网络内的均匀分散为电子的传输提供连续通道，使得Fe₃O₄/PPy/PVA水凝胶具有优异的导电性（1.95±0.17 E^-4 S cm^-1）；Fe₃O₄纳米颗粒在PVA网络的模板作用下沿着PPy/PVA水凝胶骨架均匀生成，赋予凝胶良好的磁响应性（最大磁饱和强度为5.42 emu g^-1）和力学性能（拉伸强度 575.03±28.32 kPa，弹性模量 461.19±24.75 kPa）。最后，该研究团队对Fe₃O₄/PPy/PVA水凝胶的应变传感性能和磁导航性能进行了测试，结果表明该Fe₃O₄/PPy/PVA水凝胶具有发展为应变传感器及磁导航仪的前景（如图5所示）。

图5.Fe3O4/PPy/PVA水凝胶(a)被拉伸到100%再释放回原长过程中的电阻变化率,(b)从0%到100%应变连续300次循环过程中的电阻变化率；Fe3O4/PPy/PVA水凝胶固定于手指关节处并随手指弯曲不同角度(0°、30°、45°、90°)过程中所对应的(c)实物照片图，(d)凝胶的电阻变化率；(e)Fe3O4/PPy/PVA水凝胶模拟磁导航的效果示意图。

上述工作以Sequential in-situ route to synthesize novel composite hydrogels with excellent mechanical, conductive, and magnetic responsive properties为题发表于Materials & Design. DOI information: 10.1016/j.matdes.2020.108759。第一作者为太原理工大学王艳芹副教授，硕士研究生朱亚萍为共同第一作者，通讯作者为陈维毅教授及王艳芹副教授。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127520302938?via%3Dihub

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