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水凝胶力学性能测试:压缩、拉伸、断裂、剥离

点击次数:801 更新时间:2023-04-10

水凝胶是一类具有三维高分子网络结构的材料,关于这类的材料存在着多种不同的定义。一般来说,研究比较广泛的水凝胶材料不仅要具有交联的网络结构,还具有一定的亲水性,结构中含有大量水分,在以水为分散介质的环境中能够发生溶胀现象。这类水凝胶材料在生物、环境、传感器等领域有着大量的研究成果。因此,我们将围绕这类应用对水凝胶材料的主要性能检测评价方法做出简要的介绍。


上海保圣水凝胶性能测试仪可以测试水凝胶按照工艺不同衍生出合成水凝胶、半天然水凝胶、智能水凝胶、互穿网络水凝胶和半互穿网络水凝胶等不同类别的性能,目前工程应用的水凝胶通常是改性水凝胶。工程应用对水凝胶的机械性能包括拉伸强度、弹性、黏性等性能方面提出了更高的要求,所以从水凝胶原料、交联机制到合成路径的改性,都要进一步提高产品的机械与生物力学性能。使用水凝胶性能测试仪可以获得水凝胶在压缩和拉伸测试的相关参数,根据样品与方法不同,可以测试得出水凝胶产品的硬度、弹性、内聚性、弹性模量、压缩模量、断裂应变、断裂应力、回复率、应变敏感度、黏性、抗疲劳性等不同指标。


高分子材料的物理力学性能是一项非常重要的性能指标。水凝胶的力学性能一般以杨氏模量(Young’s modulus)来表征。材料在弹性形变过程中,应力与应变之间的比例关系就是杨氏模量,也被称为弹性模量。目前测量杨氏模量的方法并不固定,主要有拉伸法,压缩法和压痕法等几类[1]。拉伸法(Tensile test)最为原始也最为简单易行,对材料施加一定拉力并测量形变即可计算杨氏模量。该实验是在规定的实验温度、速度和湿度的条件下,利用对样品施加沿纵轴方向的静态拉伸负荷,直至样品被拉断。


压缩测试

用于确定材料在施加断裂载荷下的性能,通过使用压盘或通用测试机上的专用工装对试样(一般为长方体或圆柱几何体)施加压缩压力得到应力-应变图,用于确定弹性极限、比例极限、屈服点、屈服强度和(对于某些材料)抗压强度。从图中选择合适的应变范围,并对该区域内曲线作斜率得到压缩模量。图1显示了材料压缩过程中的变化及应力应变曲线。


拉伸测试

指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法。通过应力-应变曲线可以得到拉伸强度、拉伸断裂应力以及拉伸弹性模量等(如图5)。而对于大多数水凝胶通常只直接发生脆性断裂,无屈服过程。


断裂测试

本质上,水凝胶是易碎的,因为它们的含水量大会导致聚合物链的面密度降低。断裂韧性Γc(裂纹扩展单位面积所需的临界能量(单位: Jm-2))的典型值估计约为10Jm-2(例如藻酸盐凝胶),比天然橡胶(~104 Jm-2)小几个数量级。而作为坚韧水凝胶的一个代表性例子--双网络凝胶,其断裂韧性显着提高背后的关键机制是由于裂纹附近的牺牲网络破裂而导致的能量耗散,而另一个网络保持凝胶的宏观完整性。


剥离实验

与纯剪切实验测试类似,此处未变形的样品几何形状由长度L、高度2H和厚度b定义。然而,不同的是,此处试样在裂纹端的两个臂被夹紧并剥离。


检测并调控水凝胶材料的力学性能是水凝胶发展应用的关键问题。比如在细胞研究中,细胞的体外生长需要借助细胞培养基底的作用,然而一般的基底材料如玻璃或塑料等,硬度过大,极大地影响了细胞的体外生长行为。而水凝胶材料具有三维网状结构,含水率高,力学环境与生物体更加接近,有利于细胞的生长。如Engler[3]等人利用弹性模量可调的凝胶系统作为基底研究间充质干细胞的体外分化生长过程。研究人员通过改变凝胶交联度,调控基底的弹性模量,使之与生物体个组织器官如脑等的弹性模量接近,长期的培养观察发现,基底弹性模量的改变会诱导细胞的不同分化。近年来,在静态模拟组织力学性质的基础上,越来越多的研究关注到了力学性能动态变化对细胞行为的影响。Wu[4]等人制备了具有可逆调节弹性模量特性的水凝胶,能够更好地模拟细胞外基质机械性能的动态变化,可以实时控制水凝胶内细胞的迁移行为。


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