Описание свойств полимерных гелей в рамках обобщенной модели Муни–Ривлина

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Полимерный гель рассматривается как смесь, представляющая собой высокоэластичный упругий материал и растворенную в нем жидкость (растворитель). На основе обобщенной модели Муни–Ривлина предложено выражение свободной энергии, описывающее деформационное поведение и термодинамические свойства полимерных гелей. В данной модели полагается, что “константы” Муни–Ривлина зависят от концентрации растворенной в полимере жидкости. Из этого выражения получены определяющие соотношения для тензора напряжений, химического потенциала растворителя и осмотического тензора напряжений. На их основе выполнено экспериментальное исследование деформационных свойств набухших в растворителе сетчатых эластомеров различной химической природы. В частности, изучена зависимость упругих свойств эластомеров от концентрации растворителя и определены параметры, описывающие эту зависимость.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Я. Денисюк

Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: denisyuk@icmm.ru
Россия, Пермь

Список литературы

  1. Bashir S. et al. Fundamental concepts of hydrogels: synthesis, properties, and their applications // Polymers. 2020. V. 12. P. 2702. https://doi.org/10.3390/polym12112702
  2. Валуев Л.И., Валуева Т.А., Валуев И.Л., Платэ Н.А. Полимерные системы для контролируемого выделения биологически активных соединений // Успехи биол. хим. 2003. Т. 43. С. 307–328.
  3. Chyzy A., Tomczykowa M., Plonska-Brzezinska M.E. Hydrogels as potential nano-, micro- and macro-scale systems for controlled drug delivery // Materials. 2020. V. 13. № 1. P. 188. https://doi.org/10.3390/ma13010188
  4. Deligkaris K., Tadele T.S., Olthuis W., Berg A. Hydrogel-based devices for biomedical applications // Sens. Actuators B: Chem. 2010. V. 147. № 2. P. 765–774. https://doi.org/10.1016/j.snb.2010.03.083
  5. Ding M. et al. Multifunctional soft machines based on stimuli-responsive hydrogels: from freestanding hydrogels to smart integrated systems // Mater. Today Adv. 2020. V. 8. P. 100088. https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2020.100088
  6. Hoare T.R., Kohane D.S. Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges // Polymer. 2008. V. 49. № 8. P. 1993–2007. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2008.01.027
  7. Kopecek J. Hydrogels: from soft contact lenses and implants to self-assembled nanomaterials // J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 2009. V. 47. P. 5929–5946. https://doi.org/10.1002/pola.23607
  8. Lee K.Y., Mooney D.J. Hydrogels for tissue engineering // Chem. Rev. 2001. V. 101. № 7. P. 1869–1880. https://doi.org/10.1021/cr000108x
  9. Peppas N.A., Hilt J.Z., Khademhosseini A., Langer R. Hydrogels in biology and medicine: from molecular principles to bionanotechnology // Adv. Mater. 2006. V. 18. № 11. P. 1345–1360. https://doi.org/10.1002/ADMA.200501612
  10. Flory P.J., Rehner J. Statistical mechanics of cross-linked polymer networks // J. Chem. Phys. 1943. V. 11. P. 512–526. https://doi.org/10.1063/1.1723791
  11. Flory P.J. Molecular theory of rubber elasticity // Polymer. 1979. V. 20. № 11. P. 1317–1320. https://doi.org/10.1016/0032-3861(79)90268-4
  12. Flory P.J., Erman B. Theory of elasticity of polymer networks // Macromolecules. 1982. V. 15. № 3. P. 800–806. https://doi.org/10.1021/ma00231a022
  13. Edwards S.F., Vilgis T.A. The tube model theory of rubber elasticity // Rep. Prog. Phys. 1988. V. 51. P. 243–297. https://doi.org/10.1088/0034-4885/51/2/003
  14. Han W.H., Horkay F., McKenna G.B. Mechanical and swelling behaviors of rubber: a comparison of some molecular models with experiment // Math. Mech. Solids. 1999. V. 4. № 2. P. 139–167. https://doi.org/10.1177/108128659900400201
  15. Boyce M.C., Arruda E.M. Constitutive models of rubber elasticity: a review // Rubber Chem. Technol. 2000. V. 73. № 3. P. 504–523. https://doi.org/10.5254/1.3547602
  16. Boyce M.C., Arruda E.M. Swelling and mechanical stretching of elastomeric materials // Math. Mech. Solids. 2001. V. 6. № 6. P. 641–659. https://doi.org/10.1177/108128650100600605
  17. Dal H., Acikgoz K., Badienia Y. On the performance of isotropic hyperelastic constitutive models for rubber-like materials: a state of the art review // Appl. Mech. Rev. 2021. V. 73. № 2. P. 020802. https://doi.org/10.1115/1.4050978
  18. Anssari-Benam A. Assessment large isotropic elastic deformations: on a comprehensive model to correlate the theory and experiments for incompressible rubber-like materials // J. Elast. 2023. V. 153. P. 219–244. https://doi.org/10.1007/s10659-022-09982-5
  19. Mooney M. A theory of large elastic deformation // J. Appl. Phys. 1940. V. 11. № 3. P. 582–592. https://doi.org/10.1063/1.1712836
  20. Flory P.J., Tatara Y. The elastic free energy and the elastic equation of state: elongation and swelling of polydimethylsiloxane networks // J. Polym. Sci. 1975. V. 13. № 4. P. 683–702. https://doi.org/10.1002/pol.1975.180130403
  21. Денисюк Е.Я. Механика и термодинамика высокоэластичных материалов, насыщенных жидкостью // Изв. РАН. МТ Т. 2010. № 1. С. 118–138.
  22. Денисюк Е.Я. Задачи механики полимерных гелей с односторонними ограничениями // Изв. РАН. МТ Т. 2022. № 2. С. 106–123. http://doi.org/10.31857/S0572329922010068
  23. Денисюк Е.Я. Равновесие полимерных гелей в поле массовых сил // Изв. РАН. МТ Т. 2022. № 4. С. 3–24. http://doi.org/10.31857/S0572329922030072
  24. Лурье А.И. Нелинейная теория упругости. М.: Наука, 1980. 512 с.
  25. Денисюк Е.Я., Терешатов В.В. Теория механодиффузионных процессов переноса многокомпонентных жидкостей в сшитых эластомерах // ПМТФ. 1997. Т. 38. № 6. С. 113–129.
  26. Денисюк Е.Я., Терешатов В.В. Нелинейная теория процессов набухания эластомеров в низкомолекулярных жидкостях // Высокомолек. соед. А. 2000. Т. 42. № 1. С. 71–83.
  27. Prigogine I., Defay R. Chemical Thermodynamics. N.Y.: Longmans Green and Co, 1954. [Пригожин И., Дефэй Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966. 508 с.]

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Экспериментальные кривые одноосного растяжения эластомера ПБУ-1 при различных концентрациях ДБС, представленные в координатах Муни-Ривлина: 1 – φ2 = 1; 2 – φ2 = 0.682; 3 – φ2 = 0.469; 4 – φ2 = 0.364; 5 – φ2 = 0.277; 6 – φ2 = 0.204; 7 – φ2 = 0.126.

Скачать (15KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Экспериментальная зависимость отношения ψ2/ψ1 от объемной доли полимера φ2 для эластомера ПБУ-1, содержащего ДБС, представленная в логарифмических координатах.

Скачать (6KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Экспериментальная зависимость термодинамически равновесной упругой реакции эластомера ПБУ-4 при одноосном растяжении в ДБС. Сплошная линия рассчитана по уравнениям (5.6)–(5.9) с константами, представленными в таблице. Величина P измеряется в МПа.

Скачать (7KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Экспериментальная деформационная зависимость равновесной степени набухания эластомера ПБУ-4 в ДБС в условиях одноосного растяжения. Сплошная линия рассчитана по уравнению (5.7) с константами, представленными в таблице.

Скачать (6KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024