文章导读
由于水凝胶具有高含水量、良好的生物相容性和可调节的性能范围，因此在药物释放、组织工程等领域得到广泛应用。引入动态键可提升水凝胶的强度和韧性，并赋予其大变形能力和应变速率响应性，使其适用于生物医学、电子器件和软体机器人等领域。在这些应用中，水凝胶需承受复杂的变形和不同应变速率的加载，这些条件会对材料性能的可靠性和稳定性产生影响。因此，理解这种具有粘弹性韧性水凝胶在复杂加载模式下的变形和机理具有重要意义。
近期，华南理工大学孙桃林教授团队在International Journal of Smart and Nano Materials上发表题为“Time-dependent mechanical behavior of tough hydrogels under multiaxial stretching”的论文。该研究以动态氢键形成的韧性水凝胶P(MAAm-co-MAA)为模型体系，探讨了水凝胶在不同应变率和多轴加载条件下的力学行为。
引用：
Liu, Y., Chen, Y., Zhu, J., Lu, M., Jiang, C., Fan, Z., & Sun, T. (2023). Time-dependent mechanical behavior of tough hydrogels under multiaxial stretching. International Journal of Smart and Nano Materials, 14(4), 460–473. https://doi.org/10.1080/19475411.2023.2255554
文章内容
图1. 水凝胶在单轴(a)、纯剪切(b)、等双轴拉伸(c)（λ=1.5）加载前后的照片
图2. 水凝胶在不同拉伸模式下典型的应力-应变曲线（应变速率:0.05 s-1）（U：单轴拉伸；EB：等双轴拉伸；PS-X：纯剪切拉伸x轴方向；PS-Y：纯剪切拉伸y轴方向）
图1展示了凝胶在不同拉伸加载模式下（单轴、纯剪切和等双轴拉伸）的变形前后照片，其相应的应力-应变曲线如图2所示。在等双轴拉伸条件下，水凝胶的杨氏模量为903kPa，而在纯剪切模式下，x轴和y轴方向的杨氏模量分别为511kPa和263kPa。这些数值与线性理论预测值（3:2:1）相近，表明水凝胶在小变形条件下符合线弹性理论。当水凝胶样品在不同拉伸模式和应变速率条件下进行循环拉伸时（图3），由于动态键的相互作用被破坏，水凝胶的加载-卸载曲线呈现明显的回滞现象，且回滞圈面积随着应变速率的增加显著增加。同时，在等双轴拉伸模式下，能量损耗和能量损耗因子明显高于其他两种模式，表明其水凝胶内部有更多的动态键被破坏。
图3. 水凝胶在不同拉伸模式和应变速率条件下的加载-卸载曲线
图4. 在不同的拉伸模式和应变率条件下，样品松弛模量与时间的关系
进一步的研究发现（图4），凝胶在不同拉伸模式和不同应变速率条件下的应力松弛行为表明，水凝胶中动态键的特征松弛时间约为2s，在不同的拉伸模式下约有70%的动态键发生了松弛。通过对材料的拉伸变形程度与时间的依赖关系进行解耦合发现，动态键的破坏主要由热活化过程控制，其动态键的松弛行为只与拉伸时间有关，而与拉伸比和拉伸模式无关。
华南理工大学博士生刘勇和陈杨为本文的共同第一作者，孙桃林教授为通讯作者。
课题组简介
孙桃林，华南理工大学前沿软物质学院教授，博士生导师。主要从事软物质材料（水凝胶、弹性体）在变形过程中的结构演化及其破坏机理研究。主持和参与国家自然科学基金面上项目和重点项目，目前已在Nat. Mater., Adv. Mater, Macromolecules, Mech Mater, Appl. Phys. Lett., Soft Matter等国际主流期刊上发表学术论文60余篇。
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
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