磁性高強(qiáng)度聚丙烯酰胺/Fe3O4納米復(fù)合水凝膠

相 梅 賀昌城 汪輝亮

(北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院,北京100875)

磁性高強(qiáng)度聚丙烯酰胺/Fe3O4納米復(fù)合水凝膠

相 梅 賀昌城*汪輝亮

(北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院,北京100875)

以輻射過氧化的表面活性劑膠束為引發(fā)中心和交聯(lián)中心,制得具有優(yōu)異機(jī)械性能的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠,并通過原位化學(xué)共沉淀法向其中引入Fe3O4粒子,得到了磁性復(fù)合水凝膠.掃描電子顯微鏡(SEM)表征發(fā)現(xiàn)磁性粒子在凝膠中分布均勻,其粒徑約為30 nm.X射線衍射(XRD)表征證實(shí)所引入的納米粒子為尖晶石型Fe3O4.磁性能測試表明,PAAm/Fe3O4復(fù)合水凝膠具有超順磁性特征.該復(fù)合凝膠具有較優(yōu)異的機(jī)械性能,其斷裂伸長率可以達(dá)到1200%,拉伸強(qiáng)度最大可達(dá)0.10 MPa.另外,該復(fù)合凝膠表現(xiàn)出良好的形變回復(fù)特性.

水凝膠;Fe3O4;磁性;機(jī)械強(qiáng)度

1 引言

近些年來,智能水凝膠廣受人們關(guān)注和重視.1在水凝膠中引入具有光、電、磁等特性的功能無機(jī)納米粒子可以得到具有對光、電、磁等產(chǎn)生響應(yīng)的智能復(fù)合凝膠.磁性水凝膠是對外加磁場具有響應(yīng)特性的一類智能水凝膠.2正是這種對外加磁場的感知和響應(yīng)功能,以及獨(dú)特的柔韌性和滲透性,使得磁性水凝膠已經(jīng)在藥物控制釋放體系、微型機(jī)械、人工肌肉設(shè)計(jì)、醫(yī)療診斷體系、蛋白質(zhì)分離和組織工程等方面日益發(fā)揮重要作用.3-6

磁性水凝膠一般是由聚合物基質(zhì)和磁性組分構(gòu)成.賦予水凝膠磁性的功能組分多為具有磁性的無機(jī)微粒,如Fe3O4、γ-Fe2O3等金屬氧化物以及CoFe2O4等鐵酸鹽類化合物.將磁性組分與聚合物基質(zhì)復(fù)合以制備磁性水凝膠的方法有多種,對此我們已經(jīng)作過了綜述.7

用傳統(tǒng)的化學(xué)方法合成的水凝膠機(jī)械性能很差,這在很大程度上影響了水凝膠在許多領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用.合成具有優(yōu)異機(jī)械性能的水凝膠是目前水凝膠研究中一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的熱點(diǎn)課題.基于不同的合成路線,日本的三個(gè)研究小組分別制備出了拓?fù)淠z(TP gel)、納米復(fù)合凝膠(NC gel)和雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠(DN gel),他們是具有高機(jī)械強(qiáng)度的水凝膠.8-10本課題組用輻射過氧化的大分子微球作為引發(fā)劑和交聯(lián)劑,得到了具有高機(jī)械強(qiáng)度的大分子微球復(fù)合水凝膠(MMC gel).11采用輻射過氧化的表面活性劑膠束為起始原料制備出了具有高透明性和高機(jī)械強(qiáng)度的水凝膠.12本文正是以此種水凝膠為基礎(chǔ),通過原位化學(xué)共沉淀法在其中引入Fe3O4磁性納米粒子,制備出了既具有較高機(jī)械強(qiáng)度又具有磁場響應(yīng)特性的納米復(fù)合凝膠.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 原料與試劑

p-1,1,3,3-四甲基丁基酚聚氧乙烯醚(Triton X-100,生化試劑,阿法埃莎(天津)化學(xué)有限公司);聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯嵌段共聚物(EO106PO70EO106,Pluronic F127,Sigma-Aldrich公司,美國);丙烯酰胺(AAm,超純試劑,北京索萊寶科技有限公司);氫氧化鈉(NaOH,分析純,北京化工廠);三氯化鐵(FeCl3,分析純,南開大學(xué)精細(xì)化學(xué)實(shí)驗(yàn)廠);氯化亞鐵(FeCl2,分析純,天津市博迪化工有限公司).

2.2 聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠的制備

Triton X-100在室溫下的臨界膠束濃度(cmc)為(2.0-3.1)×10-4mol·L-1,Pluronic F127在30°C的cmc為0.79×10-4mol·L-1.選取Triton X-100和Pluronic F127兩種表面活性劑,在室溫下分別配制濃度為其cmc的10倍表面活性劑水溶液,然后在通氧條件下以60Co γ射線輻照4 h(劑量率為20 Gy· min-1),得到過氧化的表面活性劑水溶液.將此表面活性劑水溶液和丙烯酰胺單體水溶液(40%(w))按1: 3體積比混合均勻,轉(zhuǎn)移至反應(yīng)器中,在冰水浴中通氮?dú)獬?0 min.然后,將反應(yīng)器放置于50°C恒溫水浴中加熱反應(yīng)24 h,即可得到聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠.

2.3 磁性納米復(fù)合凝膠的制備

將PAAm水凝膠放在含有Fe2+、Fe3+的鐵鹽水溶液(Fe2+與Fe3+的摩爾比為1:2,溶液的濃度為1 mol· L-1)中溶脹,待其達(dá)到溶脹平衡后,轉(zhuǎn)移至1 mol·L-1的NaOH溶液中分別反應(yīng)2、5和12 h,即得到PAAm/Fe3O4磁性納米復(fù)合凝膠.將所得復(fù)合凝膠產(chǎn)物先用蒸餾水洗滌數(shù)次,除去表面未反應(yīng)物質(zhì),然后再在蒸餾水中浸泡處理,以除去殘留在產(chǎn)物中的堿.根據(jù)在NaOH溶液中反應(yīng)時(shí)間的不同,以Triton X-100為起始原料制備的復(fù)合凝膠標(biāo)記為Ferrogel 1(2 h)、Ferrogel 2(5 h)和Ferrogel 3(12 h),以Pluronic F127為起始原料制備的復(fù)合凝膠標(biāo)記為Ferrogel 4(2 h)、Ferrogel 5(5 h)和Ferrogel 6(12 h).

2.4 結(jié)構(gòu)表征

磁性復(fù)合水凝膠的含水量和Fe3O4納米粒子的含量用TGA/DSC1同步熱分析儀(METTLER-TOLEDO公司,瑞士)測定.在25-800°C溫度范圍內(nèi)勻速升溫,升溫速率為10°C·min-1.用純凈氮?dú)庾髑逑礆?氣體流速為20 mL·min-1.將達(dá)到溶脹平衡后的PAAm水凝膠和復(fù)合凝膠在液氮中驟冷后再經(jīng)冷凍干燥,取新鮮斷面噴金后用S-4800型掃描電子顯微鏡(SEM,HITACHI公司,日本)觀察其微觀結(jié)構(gòu).將PAAm水凝膠和磁性復(fù)合水凝膠在空氣中初步干燥后再在50°C下真空干燥24 h,干燥后的樣品用X′Pert PRO MPD型X射線衍射儀(XRD,PANalytical公司,荷蘭)測試.

2.5 磁性和力學(xué)性能測試

用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID,Quantum Design公司,美國)對磁性復(fù)合水凝膠進(jìn)行測試,得到磁化曲線,測試溫度為300 K.

將所得磁性納米復(fù)合凝膠均溶脹至含水量為90%(w),采用英斯特朗材料試驗(yàn)機(jī)(Instron 3366, Instron公司,美國)對樣品進(jìn)行拉伸和壓縮力學(xué)性能的測試.壓縮測試的橫梁速率設(shè)為10 mm·min-1;拉伸測試的橫梁速率為100 mm·min-1.每種樣品均做3組平行測試.壓縮測試的凝膠樣品為圓柱形,直徑為20 mm左右,厚度為10 mm左右.拉伸測試的凝膠樣品按DIN-53504 S2標(biāo)準(zhǔn)切成啞鈴形,試樣寬度為4 mm,試樣厚度為1 mm,標(biāo)距長度為25 mm.壓縮應(yīng)力(σc)定義為試樣所承受的壓力(Fc)與試樣的原始截面積(S)之比,σc=Fc/S;壓縮應(yīng)變(εc)定義為壓縮后試樣的高度變化與其原始高度(h0)之比,εc=(h0-h)/ h0.拉伸應(yīng)力(σt)定義為試樣所承受的拉伸力(Ft)與試樣的原始截面積(S)之比,σt=Ft/S;拉伸應(yīng)變(εt)定義為試樣在拉伸方向的長度增量與其原始長度(l0)之比,εt=(l-l0)/l0.上述公式中,h為壓縮后試樣的高度,l為拉伸后試樣的長度.

3 結(jié)果與討論

3.1 PAAm/Fe3O4納米復(fù)合凝膠的制備

首先合成PAAm水凝膠.關(guān)于以輻射過氧化的表面活性劑膠束為引發(fā)中心和交聯(lián)中心制得的PAAm水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能將另文介紹.這類水凝膠多為無色透明,有的雖然在合成之初顯淺乳白色(圖1a),但經(jīng)過溶脹以后會變?yōu)闊o色透明.將PAAm水凝膠放在濃度為1 mol·L-1的含F(xiàn)e2+、Fe3+的鐵鹽水溶液中(Fe2+與Fe3+的摩爾比為1:2)溶脹,待其達(dá)到溶脹平衡.這時(shí)凝膠變?yōu)榧t褐色透明狀(圖1b).最后,將在鐵鹽溶液中達(dá)到溶脹平衡的凝膠轉(zhuǎn)移至1 mol· L-1的NaOH溶液中浸泡,通過原位化學(xué)共沉淀反應(yīng)在水凝膠中引入Fe3O4,即可以得到黑色不透明的PAAm/Fe3O4磁性復(fù)合水凝膠(圖1c).凝膠樣品的這種物理狀態(tài)的變化證實(shí)了樣品的內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化.

用化學(xué)共沉淀法制備Fe3O4經(jīng)常使用的無機(jī)鹽類有氯化亞鐵、硫酸亞鐵、氯化鐵等;沉淀劑常采用氫氧化鈉、氫氧化鉀等無機(jī)堿的水溶液.其反應(yīng)原理如式(1)所示.

在堿性條件下,體系中還存在PAAm水凝膠按照化學(xué)反應(yīng)式(2)進(jìn)行的酰胺基的堿性水解反應(yīng).該反應(yīng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是,陰離子羧基的鄰基效應(yīng)導(dǎo)致水解反應(yīng)呈現(xiàn)自阻滯效應(yīng),這是因?yàn)橹麈溕弦蛩舛a(chǎn)生的―COO-對親核基團(tuán)―OH-的靜電排斥,降低了酰胺基周圍局部微環(huán)境―OH-的有效濃度.這種鄰基效應(yīng)使PAAm的堿性水解反應(yīng)在水解度＜30%時(shí)速度很快,但隨水解度的繼續(xù)增大而迅速降低.PAAm水凝膠經(jīng)氫氧化鈉溶液處理后,最終得到的是部分水解的PAAm磁性復(fù)合水凝膠.

3.2 PAAm/Fe3O4納米復(fù)合凝膠結(jié)構(gòu)表征

用熱重法測定了所得磁性復(fù)合水凝膠中Fe3O4納米粒子的含量.結(jié)果表明,復(fù)合凝膠中Fe3O4的含量為6.0%-7.5%(w).磁性粒子的含量并沒有隨凝膠在堿液中的處理時(shí)間的增加(2,5,12 h)而表現(xiàn)出明顯變化,說明在堿液中處理2 h后,凝膠體系中的鐵離子已經(jīng)反應(yīng)完全.

采用SEM觀察了PAAm水凝膠樣品和PAAm/ Fe3O4復(fù)合凝膠樣品的微觀形貌.圖2為典型PAAm凝膠樣品(a)和Ferrogel 2磁性復(fù)合凝膠樣品(b,c)的SEM照片.由圖2可見,PAAm凝膠樣品呈現(xiàn)一般干態(tài)高分子凝膠所具有的特征孔洞結(jié)構(gòu)(采用本文中的方法所制備的PAAm凝膠樣品還常常呈現(xiàn)出明顯的取向結(jié)構(gòu),這些將另文探討).而對于磁性復(fù)合凝膠樣品而言,通過SEM不易觀察到如上所述的特征孔洞結(jié)構(gòu),其SEM圖片顯示,Fe3O4微粒在凝膠網(wǎng)絡(luò)中分布較為均勻,其粒徑大約為30 nm.PAAm/ Fe3O4納米復(fù)合凝膠的微觀結(jié)構(gòu)不同于普通凝膠的孔洞結(jié)構(gòu),這一方面可能是由于生成的Fe3O4納米粒子填充了初始凝膠的孔洞,另一方面,PAAm水凝膠在用NaOH溶液處理過程中所發(fā)生的水解作用對孔洞結(jié)構(gòu)也會造成一定的破壞.從圖2(c)中還可以發(fā)現(xiàn)Fe3O4納米粒子之間有一定程度的聚集.

圖1 水凝膠樣品照片F(xiàn)ig.1 Photographs of the hydrogel samples (a)typical Pluronic F127 based PAAm hydrogel;(b)PAAm hydrogel after being swollen in a ferric salt solution; (c)PAAm/Fe3O4nanocomposite hydrogel

圖2 典型PAAm凝膠樣品(a)和PAAm/Fe3O4復(fù)合凝膠樣品Ferrogel 2(b,c)的電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of a typical PAAm hydrogel(a)and PAAm/Fe3O4nanocomposite hydrogel(Ferrogel 2)(b,c)

利用XRD研究了復(fù)合水凝膠中納米粒子的晶體結(jié)構(gòu).圖3是所制備的典型PAAm水凝膠以及相應(yīng)的PAAm/Fe3O4磁性納米復(fù)合凝膠(Ferrogel 2)的XRD譜圖.PAAm水凝膠為非晶結(jié)構(gòu)(曲線a).曲線b是Ferrogel 2復(fù)合凝膠的譜線,譜線上出現(xiàn)多個(gè)衍射峰,其主要的峰分別對應(yīng)(220)、(311)、(400)、

(422)、(511)和(440)晶面,與尖晶石型Fe3O4的標(biāo)準(zhǔn)特征衍射峰相吻合,13表明在凝膠網(wǎng)絡(luò)中生成的粒子為尖晶石型的Fe3O4.

3.3 PAAm/Fe3O4納米復(fù)合凝膠的磁性能

PAAm/Fe3O4納米復(fù)合凝膠可以被磁鐵吸引(圖4),這直觀地表明所得的復(fù)合凝膠具有磁性.圖5是用超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)測得PAAm/Fe3O4復(fù)合凝膠(Ferrogel 5)的磁化曲線.從磁化曲線可見無磁滯現(xiàn)象,剩磁和矯頑力都為零,這表明利用化學(xué)共沉淀法在PAAm水凝膠體系內(nèi)部原位生成的Fe3O4磁性納米粒子具有超順磁性,從而復(fù)合凝膠也呈現(xiàn)超順磁性特征,其表觀飽和磁化強(qiáng)度為0.072 emu· g-1.

圖3 水凝膠樣品的XRD譜圖Fig.3 XRD patterns of hydrogel samples(a)PAAm hydrogel;(b)PAAm/Fe3O4nanocomposite hydrogel (Ferrogel 2)

3.4 PAAm/Fe3O4納米復(fù)合凝膠的的力學(xué)性能

我們以輻射過氧化的表面活性劑膠團(tuán)為引發(fā)與交聯(lián)中心合成的水凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械性能.12在本工作中以Triton X-100和Pluronic F127為起始原料制備的兩種PAAm水凝膠在含水量為70% (w)、壓縮應(yīng)變?yōu)?7%時(shí)的壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到30.00 MPa以上,它們都表現(xiàn)出良好的形變回復(fù)性能,即在去除載荷后可以迅速回復(fù)初始形狀.

圖4 顯示PAAm/Fe3O4復(fù)合凝膠(Ferrogel 5)磁性的照片F(xiàn)ig.4 Photograph of the PAAm/Fe3O4nanocompositehydrogel(Ferrogel 5)with magnetism

圖5 300 K時(shí)PAAm/Fe3O4復(fù)合凝膠(Ferrogel 5)的磁化曲線Fig.5 Magnetization curve of the PAAm/Fe3O4 nanocomposite hydrogel(Ferrogel 5)at 300 K

圖6 磁性水凝膠樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Compression strain-stress curves of the ferrogel samples(a)Triton X-100 based ferrogels:Ferrogel 1(2 h),Ferrogel 2(5 h),Ferrogel 3(12 h);(b)Pluronic F127 based ferrogels:Ferrogel 4(2 h), Ferrogel 5(5 h),Ferrogel 6(12 h);(c)cyclic compression strain-stress curves of Ferrogel 4(2 h).The water content for all the hydrogels is 90%(w). F:the first compression curve,S:the second compression curve

所得磁性納米復(fù)合凝膠均溶脹至含水量為90%(w)后進(jìn)行壓縮試驗(yàn),其壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示.以Triton X-100為起始原料制備的三種復(fù)合凝膠樣品的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎重合(圖6 (a)),凝膠在壓縮應(yīng)變?yōu)?7%時(shí)的壓縮強(qiáng)度為2.60 MPa.圖6(b)是以Pluronic F127為起始原料制備的3種復(fù)合凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線.由曲線可見,凝膠的壓縮強(qiáng)度隨其在堿液中的處理時(shí)間的增長而有所降低.在壓縮應(yīng)變?yōu)?7%時(shí),3種凝膠的壓縮強(qiáng)度分別為2.30,1.60和1.20 MPa.這些復(fù)合凝膠的壓縮強(qiáng)度均比原始的PAAm凝膠樣品的要低,但依然優(yōu)于普通方法合成的水凝膠,如傳統(tǒng)的化學(xué)交聯(lián)PAAm水凝膠的壓縮強(qiáng)度僅為0.70 MPa(含水量為93%(w)時(shí)).10

圖6(c)是Ferrogel 4復(fù)合凝膠樣品的10次循環(huán)壓縮曲線.由曲線可以看到,第二次的壓縮曲線(S)與第一次的曲線(F)不能完全重合,這可能是因?yàn)樵趬嚎s過程中凝膠結(jié)構(gòu)遭到了一定的破壞所致.但后面9次的循環(huán)壓縮曲線非常接近,而且在εc=0.80時(shí)的壓縮強(qiáng)度并沒有明顯變化,這說明該磁性納米復(fù)合凝膠具有良好的形變回復(fù)性能.

我們還對以Pluronic F127為起始原料制備的3種復(fù)合凝膠進(jìn)行了拉伸性能測試,結(jié)果如圖7所示.為便于比較,圖中同時(shí)顯示了以Pluronic F127為起始原料制備的PAAm凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線. PAAm凝膠在拉伸過程中會產(chǎn)生細(xì)頸,表現(xiàn)出類似屈服行為和冷拉現(xiàn)象,但是超過屈服點(diǎn)之后應(yīng)力并不無明顯降低,而是幾乎維持不變,在細(xì)頸消失之后,應(yīng)力才繼續(xù)增大.其最大拉伸強(qiáng)度為0.15 MPa,斷裂伸長率超過2000%(即εt=20).復(fù)合凝膠的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)明顯的屈服點(diǎn),其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均隨凝膠在堿液中處理時(shí)間的增長而有所降低.雖然復(fù)合凝膠的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率均比原始的PAAm凝膠樣品低一些,但其性能依然比普通凝膠要好得多.如在堿液中處理2 h得到的復(fù)合凝膠的最大拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到0.10 MPa,斷裂伸長率達(dá)到1200%.

表面活性劑是一類具有雙親結(jié)構(gòu)的分子,當(dāng)其溶液的濃度達(dá)到臨界膠束濃度(cmc)以上時(shí),其分子可以聚集形成各種形狀(多為球形)的自組裝體——膠束.在一定濃度范圍內(nèi),表面活性劑溶液可視為一個(gè)均勻分散體系,分散相是尺寸為納米級的膠束.如果以γ射線通氧輻照表面活性劑溶液就能在膠束上形成過氧基團(tuán),于是此膠束可作為引發(fā)中心,引發(fā)水溶性單體聚合.以膠束粒子為中心輻射狀生長的高分子鏈或鏈?zhǔn)c臨近膠團(tuán)上的分子鏈或鏈?zhǔn)梢酝ㄟ^氫鍵作用和物理纏結(jié)作用形成凝膠網(wǎng)絡(luò),此時(shí),這些膠束粒子在凝膠體系中又作為交聯(lián)中心而存在.由于膠束粒子在體系中分布較均勻,因此所產(chǎn)生的凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較規(guī)整,能夠更有效地分散應(yīng)力,從而表現(xiàn)出優(yōu)良的機(jī)械性能.

圖7 水凝膠樣品的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.7 Tensile strain-stress curves of PAAm gel and the ferrogel samplesReaction time in 1 mol·L-1NaOH solution:Ferrogel 4(2 h), Ferrogel 5(5 h),Ferrogel 6(12 h).The water content for all the hydrogels is 90%(w).

當(dāng)通過原位化學(xué)共沉淀方法在所得PAAm水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入Fe3O4時(shí),由于需經(jīng)堿液處理,部分PAAm發(fā)生了水解,導(dǎo)致凝膠中的氫鍵被破壞;此外,大量無機(jī)納米粒子的形成也可能破壞高分子鏈間的物理纏結(jié)作用.這些因素都將導(dǎo)致復(fù)合凝膠的機(jī)械性能變差.雖然磁性納米復(fù)合凝膠的機(jī)械性能比原始PAAm凝膠樣品的要差一些,但其性能依然比普通凝膠要好得多.我們相信,通過改變單體如采用不易在堿液中水解的單體和改變制備條件如減少在堿液中的反應(yīng)時(shí)間等,可以制備出具有更加優(yōu)異機(jī)械性能的磁性復(fù)合凝膠.

4 結(jié)論

以過氧化的表面活性劑膠束為引發(fā)中心和交聯(lián)中心,制備出具有優(yōu)異機(jī)械性能的聚丙烯酰胺(PAAm)水凝膠.通過原位化學(xué)共沉淀方法在所得PAAm水凝膠網(wǎng)絡(luò)中引入Fe3O4,得到磁性納米復(fù)合水凝膠.通過SEM和XRD表征確認(rèn)復(fù)合凝膠網(wǎng)絡(luò)中所引入的磁性納米粒子為尖晶石型四氧化三鐵.研究了磁性納米復(fù)合水凝膠的磁性質(zhì)和力學(xué)性能.使用超導(dǎo)量子干涉儀在溫度為300 K時(shí)測得復(fù)合凝膠的磁化曲線,其磁化曲線無磁滯現(xiàn)象,這表明磁性微粒具有超順磁性.磁性水凝膠的拉伸曲線沒有明顯的細(xì)頸現(xiàn)象,最大斷裂伸長率可以達(dá)1200%,最大拉伸強(qiáng)度為0.10 MPa.在壓縮應(yīng)變?yōu)?7%時(shí),經(jīng)堿液處理2 h的復(fù)合凝膠的壓縮強(qiáng)度可以達(dá)到2.30 MPa,而且復(fù)合凝膠具有良好的形變回復(fù)性能.與普通的磁性水凝膠相比,采用本文的方法制備的磁性水凝膠具有更為優(yōu)異的機(jī)械性能,這為拓展磁性水凝膠的應(yīng)用范圍提供了可能.

(1) Jin,S.P.;Liu,M.Z.;Chen,S.L.;Bian,F.L.;Chen,Y.;Wang, B.;Zhan,F.L.;Liu,S.X.Acta Phys.-Chim.Sin.2007,23,438. [金淑萍,柳明珠,陳世蘭,卞鳳玲,陳 勇,王 斌,詹發(fā)祿,劉守信.物理化學(xué)學(xué)報(bào),2007,23,438.]

(2) Chen,L.Intelligent Polymeric Materials;Chemical Industry Press:Beijing,2005;p 60. [陳 莉.智能高分子材料.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:60.]

(3) Liu,T.Y.;Hu,S.H.;Liu,K.H.;Liu,D.M.;Chen,S.Y.J.Magn. Magn.Mater.2006,304,e397.

(4) Qin,J.;Asempah,I.;Laurent,S.;Fornara,A.;Muller,R.N.; Muhammed,M.Adv.Mater.2009,21,1.

(5) Ramanujan,R.V.;Lao,L.L.Smart Mater.Struct.2006,15,952.

(6) Ding,X.B.;Sun,Z.H.;Wan,G.X.;Jiang,Y.Y.Acta Polym. Sin.2000,No.1,9.[丁小斌,孫宗華,萬國祥,江英彥.高分子學(xué)報(bào),2000,No.1,9.]

(7) Xiang,M.;Zheng,Z.W.;Wang,H.L.;He,C.C.Chin.Polym. Bull.2010,No.3,16.[相 梅,鄭志偉,汪輝亮,賀昌城.高分子通報(bào),2010,No.3,16.]

(8) Okumura,Y.;Ito,K.Adv.Mater.2001,13,485.

(9) Haraguchi,K.;Takehisa,T.Adv.Mater.2002,14,1120.

(10)Gong,J.P.;Katsuyama,Y.;Kurokawa,T.;Osada,Y.Adv.Mater. 2003,15,1155.

(11) Huang,T.;Xu,H.G.;Jiao,K.X.;Zhu,L.P.;Brown,H.R.; Wang,H.L.Adv.Mater.2007,19,1622.

(12) He,C.C.;Jiao,K.X.;Zhang,X.;Xiang,M.;Li,Z.Y.;Wang,H. L.Soft Matter 2011,7(6),2943.

(13)Zhang,J.G.;Xu,S.Q.;Kumacheva,E.J.J.Am.Chem.Soc. 2004,126,7908.

October 20,2010;Revised:January 3,2011;Published on Web:March 14,2011.

Magnetic Polyacrylamide/Fe3O4Nanocomposite Hydrogel with High Mechanical Strength

XIANG Mei HE Chang-Cheng*WANG Hui-Liang
(College of Chemistry,Beijing Normal University,Beijing 100875,P.R.China)

Polyacrylamide(PAAm)hydrogels with very high mechanical strength were prepared using radiation-peroxidized micelles that were formed by surfactant molecules as initiating and crosslinking centers.PAAm/Fe3O4nanocomposite hydrogels were obtained by introducing Fe3O4nanoparticles into PAAm hydrogels through an in situ chemical co-precipitation method.Scanning electron microscopy(SEM) investigations showed that the nanoparticles were homogeneously distributed and the particles were about 30 nm in size.X-ray diffraction(XRD)analysis showed that the obtained nanoparticles were spinel Fe3O4. The PAAm/Fe3O4nanocomposite hydrogels showed superparamagnetism.The ferrogels also had good mechanical properties,the elongation at break of some gels could be as high as 1200%and the maximum tensile strength was about 0.10 MPa,and they exhibited very good shape recoverability.

Hydrogel;Fe3O4;Magnetism;Mechanical strength

O645

?Corresponding author.Email:plaschem@163.com;Tel:+86-10-58806896.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(50673013)and Beijing Municipal Commission of Education，China.

國家自然科學(xué)基金(50673013)及北京市有機(jī)化學(xué)重點(diǎn)學(xué)科資助項(xiàng)目