Experimental investigation and mathematical modeling of the mechanical response of hydrogels
Authors
Papadimitriou, Aristeidis Anastasios ; Liely, Jérémy Henry Maurice
Term
4. semester
Education
Publication year
2016
Pages
28
Abstract
Dette studie undersøger, hvordan hydrogeler af poly(2-hydroxyethyl methacrylat) – et blødt, vandrigt polymernetværk – svulmer og ændrer deres mekaniske egenskaber i deioniseret vand og i en saltopløsning (NaCl). Materialerne blev fremstillet ved foto-initieret polymerisation med forskellige forhold mellem vand og monomer. Vi testede både nyfremstillede og fuldt opsvulmede prøver i uniaxiale trækforsøg og i spændingsrelaksationsforsøg (hvor spændingen får lov at aftage ved fast tøjningsniveau). Derudover udførte vi cykliske forsøg med kontrolleret tøjning, hvor belastningscyklusser blev afbrudt for at lade prøverne svulme, så vi kunne analysere selvrecovery (evnen til at genvinde egenskaber efter svulmning). De eksperimentelle data blev analyseret med konstitutive modeller, der beskriver en hydrogel som et to-fase kontinuum bestående af et fast polymernetværk og en væskefase, og som tager højde for svulmning under endelige tøjninger. Modellerne blev brugt til at bestemme, hvordan sammensætning og svulmegrad (Q) påvirker det viskoelastiske respons (materialets kombinerede flyde- og fjederegenskaber). Endelig blev der etableret struktur–egenskabs-relationer, som kan bruges til at forudsige gelens mekaniske egenskaber ud fra dens sammensætning.
This study examines how hydrogels made from poly(2-hydroxyethyl methacrylate)—a soft, water-rich polymer network—swell and change their mechanical behavior in de-ionized water and in a sodium chloride (NaCl) solution. The materials were manufactured by photo-initiated polymerization using different water-to-monomer ratios. We tested both as-prepared and fully swollen samples in uniaxial tensile tests and stress-relaxation tests (where stress is allowed to decrease at a fixed strain). We also performed strain-controlled cyclic tests in which loading cycles were paused to let the samples swell, to analyze self-recovery (the ability to regain properties after swelling). The experimental data were analyzed with constitutive models that represent a hydrogel as a two-phase continuum consisting of a solid polymer network and a fluid phase, and that account for swelling under finite strains. These models were used to determine how composition and degree of swelling (Q) affect the viscoelastic response (the combined fluid-like and spring-like behavior). Finally, structure–property relationships were established to predict the gel’s mechanical properties from its composition.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents