對于壓縮中的高含水量水凝膠,，水凝膠內(nèi)部的水直接有助于水凝膠對外部負荷的響應(yīng),，但同時部分水從水凝膠中排出，以改變水凝膠的體積并減少貢獻。為了考慮水在構(gòu)成方程中的貢獻,，以高含水量的PVA(聚乙烯醇)水凝膠為例,，通過壓縮實驗測量了應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和體積變化。通過考慮水凝膠不同方向上水的貢獻差異的影響,，我們推導(dǎo)出一個新的本構(gòu)方程,，可以很好地描述不同含水量的水凝膠的應(yīng)力應(yīng)變。結(jié)果表明,，水對總應(yīng)力的貢獻隨壓縮應(yīng)變的增加而增加,，甚至超過聚合物，盡管排出的水在早期加載階段降低了貢獻,，這很好地解釋了水凝膠彈性模量在壓縮和拉伸方面的差異,。
聚合物水凝膠是組織工程和醫(yī)學(xué)中很有前途的軟材料;由可以吸收和保留大量水的連續(xù)聚合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成(Baker等人，2012;霍奇等人,，2015;小林和岡,，2004年;奧恩，2013 年),。對于組織工程應(yīng)用，水凝膠的機械性能,，尤其是其壓縮性能至關(guān)重要(Curley等人,，2014;戈夫曼和布亞諾夫，2017 年;海耶斯等人,，2016 年;坎卡等人,，2018;婷婷等人，2017 年),。水凝膠的含水量可以高于90%甚至高達99.7%(Appel等人,，2012，Si等人,，2017),，水是導(dǎo)致水凝膠在拉伸和壓縮中做出不同反應(yīng)的重要因素之一。含水量約80%的聚乙烯醇(PVA)水凝膠如圖1所示,，拉伸曲線比壓縮曲線更非線性,。這主要是由于拉伸過程中纖維排列的變化更大(Dong等人，2017),。即使在小變形(<5%)下,，水凝膠的拉伸彈性模量(約0.15MPa)也小于壓縮模量(約0.25MPa)。在如此小的變形范圍內(nèi),，聚合物網(wǎng)絡(luò)的拉伸和壓縮響應(yīng)應(yīng)該是相似的,。因此，水凝膠中拉伸和壓縮之間的區(qū)別僅在于水凝膠內(nèi)部的水。水可以抵抗壓縮,，但不能抵抗張力,。
水凝膠的高含水量是有助于其優(yōu)異的生物相容性和活組織相似性的關(guān)鍵因素之一(Ovsianikov等人，2011;Van Vlierberghe等人,，2011),。含水量高的水凝膠中的游離水可以在壓縮下從試樣中排出，這意味著即使在空氣中體積也會發(fā)生變化(Frensemeier等人,，2010;米利穆克等人,，2001年;中村等，2001;浦山等,， 2008;浦山和瀧川,，2012年;Vervoort等人，2005年;張等,， 2017);因此,，有必要測量壓縮中排出的水引起的體積變化。水凝膠的大多數(shù)壓縮構(gòu)成是從實驗中總結(jié)出現(xiàn)象學(xué)的(Kaufman等人,，2008;科爾恰金等人,，2007 年;薩森等人，2012;?wi?szkowski等人,，2006),，而不考慮排出水的影響。Suo教授和他的團隊考慮了聚合物網(wǎng)絡(luò)拉伸和周圍環(huán)境產(chǎn)生的亥姆霍茲自由能的變化,，并提出了一組狀態(tài)方程,，其中包括水凝膠體積的變化(Cai和Suo，2012;法吉希等人,，2014 年;洪等,， 2008;洪等， 2009;洪等人,，2010;李等,， 2014;馬科姆等人，2010 年),。在這些模型中,，水的貢獻與水體積的變化直接相關(guān)，這意味著水對水凝膠應(yīng)力的貢獻在所有方向上都是相同的,。然而,，當水凝膠的變形很大時，這樣的假設(shè)是值得懷疑的,。
要研究水的貢獻,，應(yīng)首先測量體積變化,。盡管測量從水凝膠中排出的水非常困難，但一些研究人員已經(jīng)報告了實驗,。浦山等(2008),、浦山和瀧川(2012)和Vervoort等人(2005)通過數(shù)字圖像處理測量體積損失，并獲得了損失量與加載速率,、試樣含水量和邊界摩擦等一些實驗條件之間的相關(guān)性,。這些用數(shù)字圖像方法進行的實驗具有很大的參考價值，但測量水凝膠的體積變化仍然存在一些技術(shù)難點：水凝膠太軟,，樣品可能無法保持其旋轉(zhuǎn)形狀,，半透明可能會模糊樣品邊界。
本文以高含水量PVA水凝膠為例,，研究了壓縮作用下的體積變化行為,。我們使用實驗來測量單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和體積變化。體積測量使用基于數(shù)字圖像的系統(tǒng),，其中兩個相機確保樣品在軸對稱變形下的體積,。此外，為了區(qū)分聚合物網(wǎng)絡(luò)和水凝膠在壓縮中的作用,，我們推導(dǎo)出了一個本構(gòu)方程,，考慮了不同方向下水對水凝膠應(yīng)力的不同貢獻。該模型不僅解釋了聚合物網(wǎng)絡(luò)和水在壓縮中的貢獻,，而且還解釋了水凝膠在壓縮和拉伸中的彈性模量的差異,。
6
立即詢價
您提交后,，專屬客服將第一時間為您服務(wù)