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技術(shù)文章

水凝膠材料的彈性力學(xué)研究

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研究背景:水凝膠最大的彈性應(yīng)變與聚合物交聯(lián)之間的鏈段數(shù)的關(guān)系可以被描述為,有學(xué)者曾使用不固定的滑環(huán)交聯(lián)策略來(lái)有效地增加拉伸過(guò)程中的值,使材料能夠通過(guò)從橫向拉伸而額外拉伸,最大彈性應(yīng)變最終可達(dá)到。然而,水凝膠的雙軸變形仍然具有挑戰(zhàn)性,共價(jià)交聯(lián)或不固定的滑環(huán)交聯(lián)由于雙軸變形的鎖定而極大地限制了材料的拉伸性,使得等雙軸拉伸加載下的最大線性應(yīng)變比單軸拉伸下的低30%。為了使材料達(dá)到更高的的雙軸可逆性彈性變形,清華大學(xué)化學(xué)系王朝課題組通過(guò)引入可逆的串珠鏈結(jié)構(gòu),是材料擁有更寬的彈性范圍。在周期性機(jī)械應(yīng)變下,亞納米珠可以有效地展開(kāi)和重折疊,最終得到可逆單軸應(yīng)變高達(dá)1500%,可逆雙軸面應(yīng)變高達(dá)10000%的水凝膠。相關(guān)工作以“A hyperelastic hydrogel with an ultralarge reversible biaxial strain"為題發(fā)表在Science期刊上,影響因子44.7,論文第一作者為L(zhǎng)ili Chen,通訊作者為Chao Wang。

摘要:超彈性材料對(duì)大應(yīng)變表現(xiàn)出非線性彈性響應(yīng),而水凝膠由于交聯(lián)不均勻和交聯(lián)間鏈段有限,通常具有較低的彈性范圍。文章提出了一種超彈性水凝膠,它具有更寬的彈性范圍,通過(guò)引入可逆的串珠鏈結(jié)構(gòu),亞納米微珠在循環(huán)力學(xué)應(yīng)變下能有效展開(kāi)和折疊,材料在被拉伸到超過(guò)10000%的面應(yīng)變后可以迅速恢復(fù)。此外,水凝膠可以快速愈合輕微的機(jī)械損傷,如針扎和割傷。使開(kāi)發(fā)的離子水凝膠成為多功能氣動(dòng)夾持材料的理想選擇。

研究方法:選擇了具有強(qiáng)親水性離子基團(tuán)和弱疏水性的柔性烷基鏈的聚電解質(zhì),不考慮多陽(yáng)離子或多陰離子。當(dāng)水量不足時(shí),烷基鏈之間的疏水作用會(huì)使鏈會(huì)塌縮成水合度較差的軟珠,將有利的聚陽(yáng)離子-水接觸增至最大。隨后,作者利用密度泛函理論(DFT)計(jì)算證實(shí)了缺水條件下的異質(zhì)水合聚陽(yáng)離子,進(jìn)行了原子力顯微鏡(AFM)測(cè)試與二維小角X射線散射(2D SAXS)進(jìn)一步證實(shí)了PNC 結(jié)構(gòu)。

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結(jié)果:當(dāng)受到外部應(yīng)變時(shí),PNC結(jié)構(gòu)中的珠子會(huì)依次展開(kāi)。通過(guò)原位SAXS,證實(shí)了PNC結(jié)構(gòu)高度可逆的展開(kāi)和重新折疊。圖2展示了不同應(yīng)變下AETC-25水凝膠的原位SAXS圖像和剖面圖。在未變形狀態(tài)下,只在二維SAXS圖像中觀察到一個(gè)圓形散射環(huán),在一維SAXS曲線中觀察到一個(gè)寬峰。隨著水凝膠的拉伸,在低q區(qū)域出現(xiàn)了新的散射環(huán)和新的峰值,新峰的比例逐漸增大。當(dāng)載荷卸載后,材料的應(yīng)變從1500%恢復(fù)至原狀,拉伸時(shí)產(chǎn)生的散射環(huán)和峰全部消失?;謴?fù)后材料的SAXS數(shù)據(jù)與未變形的水凝膠非常相似,證實(shí)了PNC結(jié)構(gòu)的可逆性。

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                                 圖2. 原位SAXS表征的高度可逆串珠鏈結(jié)構(gòu)。


AETC-25水凝膠表現(xiàn)出超高的單軸延性和超大的雙軸彈性。單軸拉伸下材料對(duì)于拉伸速率的依賴性并不大,可以在幾秒鐘內(nèi)從1500%的應(yīng)變恢復(fù)到初始狀態(tài),顯示出的可逆性。直徑為2厘米的圓柱形水凝膠被雙向拉伸到10000%的面應(yīng)變后,能迅速恢復(fù)到初始面積。AETC-25水凝膠可以在充入空氣后體積膨脹至1000倍。利用多項(xiàng)式各向同性超彈性模型進(jìn)行有限元模擬,結(jié)果顯示材料最大線性應(yīng)變?yōu)?377%,相當(dāng)于超過(guò)10000%的最大面應(yīng)變。

AETC-25水凝膠具對(duì)輕微損傷不敏感和自感應(yīng)能力,適合應(yīng)用于軟電子學(xué)和軟機(jī)器人學(xué)。

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結(jié)論:通過(guò)在聚合物網(wǎng)絡(luò)中加入可逆PNC結(jié)構(gòu),獲得了具有超大可逆雙軸應(yīng)變的超彈性水凝膠。與傳統(tǒng)水凝膠相比,具有串珠結(jié)構(gòu)的水凝膠具有更寬的彈性范圍,這得益于亞納米珠在循環(huán)機(jī)械應(yīng)變下的有效展開(kāi)和重新收縮,并表現(xiàn)出顯著快速恢復(fù),以及輕微機(jī)械損傷后快速愈合的特性。同時(shí),還具有用于具有自感應(yīng)功能的氣動(dòng)材料的潛力。為下一代軟氣動(dòng)機(jī)器人所需要的超彈性、快速愈合和自感應(yīng)功能提供了發(fā)展方向。

      凱爾測(cè)控技術(shù)有限公司可提供生物材料,膜材料,橡膠、水凝膠等軟材料的單軸與多軸的復(fù)雜力學(xué)性能測(cè)試,具有多種載荷范圍內(nèi)的力學(xué)測(cè)試儀器,可以配合水浴、高低溫、腐蝕環(huán)境實(shí)現(xiàn)拉伸、壓縮、疲勞、蠕變等多種加載模式,配合視頻引伸計(jì),實(shí)現(xiàn)非接觸式應(yīng)變測(cè)量。

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