[论文解读] Independent characterization of the elastic and the mixing parts of hydrogel osmotic pressure

Zefan Shao, Qihan Liu|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2023

Hydrogels: synthesis, properties, applications被引用 4

一句话总结

本研究提出了一种新型全约束溶胀测试方法，可独立测量水凝胶渗透压中的弹性与混合贡献。通过在聚合物含量恒定的情况下改变交联密度，该方法将弹性与混合效应解耦，结果表明，Flory-Rehner 模型虽能准确预测混合部分的渗透压，但在预测聚丙烯酰胺水凝胶的弹性部分时，其预测结果与实际值相差数个数量级。

ABSTRACT

Osmotic pressure is the driving force for the swelling of hydrogels. The hydrogel osmotic pressure can be decomposed into two parts: the mixing part due to polymer-solvent interaction and the elastic part due to polymer chain stretching. While the two components are distinguished in existing constitutive models, they have not been independently characterized in experiments. This paper reports a novel method to independently measure these two components using a fully constrained swelling test. The test allows the crosslink density to be varied at a fixed polymer content, thus varying the elastic part independently of the mixing part. Our measurement shows that the widely used Flory-Rehner model predicts the mixing part accurately for polyacrylamide hydrogel of a wide range of swelling ratios but predicts the elastic part with orders-of-magnitude error.

研究动机与目标

• 独立测量水凝胶渗透压中的弹性与混合贡献，这些贡献在实验中通常被混淆。
• 开发一种实验方法，将交联密度的变化与聚合物浓度分离，从而实现对弹性与混合效应的独立调控。
• 检验广泛使用的 Flory-Rehner 模型在预测渗透压弹性与混合分量方面的准确性。
• 量化理论预测值与实验测量值在不同溶胀比下对聚丙烯酰胺水凝胶的偏差。

提出的方法

• 采用全约束溶胀测试，将水凝胶样品限制在固定体积内，防止其在溶胀过程中发生体积变化，从而隔离渗透压的贡献。
• 在保持聚合物浓度恒定的前提下系统性地改变交联密度，从而在不改变混合贡献的情况下独立调节弹性贡献。
• 在这些约束条件下，测量渗透压随溶胀比的变化，实现对弹性与混合分量的直接分离。
• 将 Flory-Rehner 模型应用于实验数据，比较理论预测值与实测值在两个分量上的表现。
• 该方法基于以下假设：混合部分仅取决于聚合物-溶剂相互作用和溶胀比，而弹性部分则由网络弹性与交联密度决定。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过受控溶胀协议在实验上分离水凝胶渗透压中的弹性与混合贡献？
• RQ2 Flory-Rehner 模型在预测聚丙烯酰胺水凝胶中混合部分渗透压时的准确性如何？
• RQ3 在不同溶胀比下，Flory-Rehner 模型在预测弹性部分渗透压时的表现如何？
• RQ4 交联密度在解耦水凝胶溶胀过程中弹性与混合效应方面起到何种作用？

主要发现

• Flory-Rehner 模型在聚丙烯酰胺水凝胶的广泛溶胀比范围内，能准确预测渗透压的混合部分。
• Flory-Rehner 模型在预测弹性部分渗透压时，其结果比实际值低了数个数量级，表明理论对网络弹性的处理存在根本性偏差。
• 实验方法成功实现弹性与混合贡献的解耦，从而能够独立量化每个分量。
• 本研究证明，交联密度可独立于聚合物浓度进行调节，验证了该方法有效隔离弹性贡献的能力。