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單軸壓縮下水凝膠體積變化特征

閱讀：2291 發(fā)布時(shí)間：2023-8-14

　　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(fù)荷的響應(yīng)，但同時(shí)部分水從水凝膠中排出，以改變水凝膠的體積并減少貢獻(xiàn)。為了考慮水在構(gòu)成方程中的貢獻(xiàn)，以高含水量的PVA(聚乙烯醇)水凝膠為例，通過壓縮實(shí)驗(yàn)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(xiàn)差異的影響，我們推導(dǎo)出一個(gè)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(xiàn)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(xiàn)，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(jī)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(dá)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)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(xiàn)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(xiàn)在所有方向上都是相同的。然而，當(dāng)水凝膠的變形很大時(shí)，這樣的假設(shè)是值得懷疑的。

　　要研究水的貢獻(xiàn)，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(bào)告了實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)條件之間的相關(guān)性。這些用數(shù)字圖像方法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)具有很大的參考價(jià)值，但測量水凝膠的體積變化仍然存在一些技術(shù)難點(diǎn)：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(huì)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(shí)驗(yàn)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(gè)相機(jī)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(gè)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(xiàn)。該模型不僅解釋了聚合物網(wǎng)絡(luò)和水在壓縮中的貢獻(xiàn)，而且還解釋了水凝膠在壓縮和拉伸中的彈性模量的差異。

水凝膠拉伸試驗(yàn)

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單軸壓縮下水凝膠體積變化特征

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