麥吉爾大學李劍宇《ACS Macro Letters》堅韌/高粘/水凝膠斷裂特性的尺度行為

非金非土非木

2021年5月6日 14:50

【科研摘要】

堅韌的粘合劑水凝膠在工程和醫(yī)學中有廣泛的應用。這樣的水凝膠對內聚力和粘附失敗具有高抵抗力。然而，當水凝膠在暴露于水時溶脹時，優(yōu)異的斷裂性能可能惡化。聚合物含量和堅韌的粘合水凝膠的斷裂性能之間的潛在相關性仍未得到充分探索。

麥吉爾大學李劍宇《ACS Macro Letters》堅韌/高粘/水凝膠斷裂特性的尺度行為的圖1

最近，麥吉爾大學李劍宇課題組研究了堅硬的粘合水凝膠的內聚力和粘合能如何隨著溶脹過程而演化。結果表明，這兩個量的相似定標律（ ? _v ）是聚合物分數(shù)（ ? ）的函數(shù)。團隊的定標分析和計算研究表明，這是由于剪切模量的定標引起的。該研究將促進對水凝膠斷裂的結垢的研究，并為下一代強韌粘合水凝膠提供開發(fā)指導。相關論文以題為 Scaling Behavior of Fracture Properties of Tough Adhesive Hydrogels 發(fā)表在《 A CS Macro Letters 》上。

【主圖導讀】

麥吉爾大學李劍宇《ACS Macro Letters》堅韌/高粘/水凝膠斷裂特性的尺度行為的圖2

圖 1.聚合物含量不同的組織粘附水凝膠的斷裂測量結果。（a）將制得的藻酸鹽/PAAm水凝膠在PBS溶液中浸泡不同的時間，然后用脫乙酰殼多糖和偶聯(lián)劑活化，在壓縮下與組織形成粘附。（b–d）用撕裂試驗測量內聚能。（b）將厚度為t的樣品以恒定速度垂直拉出。（c）水凝膠每厚度的撕裂力與延伸率和聚合物分數(shù)的關系。（d）內聚能與聚合物分數(shù)的關系。（e–g）用180度剝離測試測量粘合力。（f）每寬度的剝離力是延伸率和聚合物分數(shù)的函數(shù)。（g）粘合能與聚合物分數(shù)的關系。

麥吉爾大學李劍宇《ACS Macro Letters》堅韌/高粘/水凝膠斷裂特性的尺度行為的圖3

圖 2.機械性能和聚合物分數(shù)之間的比例關系。（a）在布朗模型中，裝卸循環(huán)的拉伸應力-應變曲線分為4個部分。插入的圖：（i）雙網絡水凝膠的結構示意圖。（ii）純剪切配置。（b）對數(shù)-對數(shù)圖，說明了內聚能和粘附能以及剪切模量與聚合物分數(shù)的關系。

麥吉爾大學李劍宇《ACS Macro Letters》堅韌/高粘/水凝膠斷裂特性的尺度行為的圖4

圖 3.粘附能和內聚能之間的關系。（a）粘合能約為粘合能的四分之一。（b）在穩(wěn)態(tài)裂紋擴展過程中，純剪切試樣的參考配置中的整體裂紋和界面裂紋附近區(qū)域的損壞。（c）與（b）相似的曲線，其等高線圖顯示當（S _interface ） _C /μ=（S _interface ） _A /μ= 12時，每單位體積Ud的耗散能量的分布。白色水平線表示初始裂紋。（d）在從（c）的垂直軸提取的高度上繪制U _d 分布。

【總結】

團隊研究了堅韌的粘合水凝膠的膨脹和斷裂行為之間的耦合。結果表明，堅硬的粘合水凝膠的內聚能和粘合能都會隨著溶脹過程而衰減。由于堅韌的粘合劑水凝膠具有獨特的增韌特性，因此對于內聚能和粘附能以及對聚合物部分的剪切模量，存在簡單的結垢定律。縮放定律與縮放分析和有限元模擬得到了證實。值得注意的是，研究結果僅限于其斷裂行為受背景滯后支配的堅硬水凝膠。此外，在不同的溶液環(huán)境中，不同類型的水凝膠的標度值可能會有所不同，但得出的結論仍然是Γ _A ? Γ _C ? μ。這項研究提供了一種簡便的方法來控制和預測水凝膠的斷裂特性。隨著強硬水凝膠在廣泛領域中的影響越來越大，它也要求在硬水凝膠的定標理論中進一步發(fā)展。