聚合物含量对聚丙烯酰胺水凝胶杨氏模量的影响

【作者】 雷金成； 李子谦； 刘子顺；

【机构】 西安交通大学航天航空学院国际应用力学中心；

【摘要】 聚丙烯酰胺水凝胶是水凝胶研究中常用的一种基础的水凝胶,它具有超高的延展性和良好的循环加载性能。根据基于聚合物链段和水溶液体系热力学能量的水凝胶本构理论,聚丙烯酰胺水凝胶的杨氏模量与其聚合物含量(即为1-含水量)呈指数为2/3的幂率关系。然而,最近的文献和我们的相关实验表明,这种幂率关系的幂指数随着聚合物含量的上升约由2/3增加至3。我们认为当前的本构理论不能解释这种特异的杨氏模量-聚合物含量关系的原因来自于聚丙烯酰胺水凝胶的准静态溶胀假设。事实上,聚丙烯酰胺水凝胶在溶胀过程中一直处于因内外渗透压不平衡而导致的受力不为零的状态,尽管这种状态下的应力极小,但已经能够明显影响到水凝胶本构中化学势的估计值,从而明显影响杨氏模量的估计。本工作将从水凝胶的本构理论出发,通过修正因准静态溶胀假设而高估的化学势,推导出修正的水凝胶本构理论,并于前人实验中聚丙烯酰胺水凝胶的杨氏模量-聚合物含量的关系进行对比。本工作将为进一步针对水凝胶的断裂与疲劳性能的研究提供理论支撑。更多还原