半稀聚丙烯酰胺水凝胶的弹性模量与应变依赖性侧向-轴向应变比研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Elastic moduli and strain-dependent lateral strain to axial strain ratio in semi-dilute polyacrylamide hydrogels

本综述系统阐述了利用二维数字图像相关技术（2D-DIC）表征半稀浓度聚丙烯酰胺水凝胶在不同变形模式（单轴拉伸/简单剪切）下的弹性模量（E/G）与泊松比（ν）演变规律。研究发现水凝胶在小应变下遵循线性弹性理论（E=3G），但大拉伸应变会导致可压缩性增强和瞬时模量非线性衰减，为生物组织工程中水凝胶器件的力学设计提供了关键理论依据。

　　

Highlight

材料与水凝胶合成

丙烯酰胺（AAm）单体、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺交联剂、过硫酸铵（APS）引发剂和四甲基乙二胺（TEMED）催化剂购自西格玛奥德里奇化学公司。各组分在玻璃瓶内用超纯水（18.2 MΩ·cm）混合，剧烈振荡后注入定制模具，覆盖盖玻片进行聚合直至形成水凝胶。

溶胀特性

溶胀度（Q）通过计算质量变化率确定：Q=(m_t-m₀)/m₀，其中m₀为初始质量，m_t为时间t时的质量。拉伸与剪切试样的溶胀演化曲线及标准差如图3(a)(b)所示：低浓度水凝胶早期溶胀速率最快，随后逐渐减缓至饱和状态。

结论

本研究建立的光学测量方法成功表征了半稀浓度聚丙烯酰胺水凝胶的单轴拉伸/简单剪切应力-应变响应，实现了杨氏模量（E）、剪切模量（G）的独立测定及泊松比（ν）与侧向-轴向应变比（-ε_lat/ε_ax）的应变函数直接测量。E和G符合c^9/4标度律，为实验结果提供了有力验证。小应变下泊松比接近0.5，证明水凝胶具有类橡胶不可压缩特性；但随拉伸应变增大，侧向收缩减弱导致可压缩性增强，瞬时拉伸模量出现非线性衰减，而简单剪切响应始终保持线性。该发现揭示了变形模式对水凝胶力学行为的关键影响。