麦吉尔大学李剑宇《ACS Macro Letters》坚韧/高粘/水凝胶断裂特性的尺度行为

非金非土非木

2021年5月6日 14:50

【科研摘要】

坚韧的粘合剂水凝胶在工程和医学中有广泛的应用。这样的水凝胶对内聚力和粘附失败具有高抵抗力。然而，当水凝胶在暴露于水时溶胀时，优异的断裂性能可能恶化。聚合物含量和坚韧的粘合水凝胶的断裂性能之间的潜在相关性仍未得到充分探索。

麦吉尔大学李剑宇《ACS Macro Letters》坚韧/高粘/水凝胶断裂特性的尺度行为的图1

最近，麦吉尔大学李剑宇课题组研究了坚硬的粘合水凝胶的内聚力和粘合能如何随着溶胀过程而演化。结果表明，这两个量的相似定标律（ ϕ _v ）是聚合物分数（ ϕ ）的函数。团队的定标分析和计算研究表明，这是由于剪切模量的定标引起的。该研究将促进对水凝胶断裂的结垢的研究，并为下一代强韧粘合水凝胶提供开发指导。相关论文以题为 Scaling Behavior of Fracture Properties of Tough Adhesive Hydrogels 发表在《 A CS Macro Letters 》上。

【主图导读】

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图 1.聚合物含量不同的组织粘附水凝胶的断裂测量结果。（a）将制得的藻酸盐/PAAm水凝胶在PBS溶液中浸泡不同的时间，然后用脱乙酰壳多糖和偶联剂活化，在压缩下与组织形成粘附。（b–d）用撕裂试验测量内聚能。（b）将厚度为t的样品以恒定速度垂直拉出。（c）水凝胶每厚度的撕裂力与延伸率和聚合物分数的关系。（d）内聚能与聚合物分数的关系。（e–g）用180度剥离测试测量粘合力。（f）每宽度的剥离力是延伸率和聚合物分数的函数。（g）粘合能与聚合物分数的关系。

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图 2.机械性能和聚合物分数之间的比例关系。（a）在布朗模型中，装卸循环的拉伸应力-应变曲线分为4个部分。插入的图：（i）双网络水凝胶的结构示意图。（ii）纯剪切配置。（b）对数-对数图，说明了内聚能和粘附能以及剪切模量与聚合物分数的关系。

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图 3.粘附能和内聚能之间的关系。（a）粘合能约为粘合能的四分之一。（b）在稳态裂纹扩展过程中，纯剪切试样的参考配置中的整体裂纹和界面裂纹附近区域的损坏。（c）与（b）相似的曲线，其等高线图显示当（S _interface ） _C /μ=（S _interface ） _A /μ= 12时，每单位体积Ud的耗散能量的分布。白色水平线表示初始裂纹。（d）在从（c）的垂直轴提取的高度上绘制U _d 分布。

【总结】

团队研究了坚韧的粘合水凝胶的膨胀和断裂行为之间的耦合。结果表明，坚硬的粘合水凝胶的内聚能和粘合能都会随着溶胀过程而衰减。由于坚韧的粘合剂水凝胶具有独特的增韧特性，因此对于内聚能和粘附能以及对聚合物部分的剪切模量，存在简单的结垢定律。缩放定律与缩放分析和有限元模拟得到了证实。值得注意的是，研究结果仅限于其断裂行为受背景滞后支配的坚硬水凝胶。此外，在不同的溶液环境中，不同类型的水凝胶的标度值可能会有所不同，但得出的结论仍然是Γ _A 〜 Γ _C 〜 μ。这项研究提供了一种简便的方法来控制和预测水凝胶的断裂特性。随着强硬水凝胶在广泛领域中的影响越来越大，它也要求在硬水凝胶的定标理论中进一步发展。