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Propriétés mécaniques de l'hydrogel

PROPRIÉTÉS MÉCANIQUES DE L'HYDROGEL

EN UTILISANT LA NANOINDENTATION

Préparé par

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

INTRODUCTION

L'hydrogel est connu pour sa grande capacité d'absorption de l'eau, ce qui lui confère une flexibilité très proche de celle des tissus naturels. Cette ressemblance a fait de l'hydrogel un choix courant non seulement dans les biomatériaux, mais aussi dans l'électronique, l'environnement et les applications de biens de consommation tels que les lentilles de contact. Chaque application unique requiert des propriétés mécaniques spécifiques de l'hydrogel.

IMPORTANCE DE LA NANOINDENTATION POUR LES HYDROGELS

Les hydrogels créent des défis uniques pour la nanoindentation, tels que la sélection des paramètres d'essai et la préparation des échantillons. De nombreux systèmes de nanoindentation présentent des limitations importantes car ils n'ont pas été conçus à l'origine pour les tests de nanodentation. ces matériaux mous. Certains des systèmes de nanoindentation utilisent un ensemble bobine/aimant pour appliquer une force sur l'échantillon. Il n'y a pas de mesure réelle de la force, ce qui entraîne une charge imprécise et non linéaire lors de l'essai de matériaux mous. matériaux. Déterminer le point de contact est extrêmement difficile car les La profondeur est le seul paramètre réellement mesuré. Il est presque impossible d'observer le changement de la pente dans les Profondeur en fonction du temps pendant le période pendant laquelle la pointe du pénétrateur s'approche du matériau hydrogel.

Afin de surmonter les limites de ces systèmes, le nanomodule du NANOVEA Testeur Méchanique mesure le retour de force avec une cellule de pesée individuelle pour garantir une grande précision sur tous les types de matériaux, mous ou durs. Le déplacement commandé par piézo est extrêmement précis et rapide. Cela permet une mesure inégalée des propriétés viscoélastiques en éliminant de nombreuses hypothèses théoriques que doivent prendre en compte les systèmes avec un ensemble bobine/aimant et sans retour de force.

OBJECTIF DE MESURE

Dans cette application, le NANOVEA Le testeur mécanique, en mode nanoindentation, est utilisé pour étudier la dureté, le module élastique et le fluage d'un échantillon d'hydrogel.

NANOVEA

PB1000

nanoindentateur et testeur de rayures Nanovea PB1000
CONDITIONS DE TEST

Un échantillon d'hydrogel placé sur une lamelle de verre a été testé par la technique de nanoindentation à l'aide d'une NANOVEA Testeur mécanique. Pour ce matériau mou, une pointe sphérique de 3 mm de diamètre a été utilisée. La charge a augmenté linéairement de 0,06 à 10 mN pendant la période de chargement. Le fluage a ensuite été mesuré par le changement de la profondeur d'indentation à la charge maximale de 10 mN pendant 70 secondes.

LA VITESSE D'APPROCHE : 100 μm/min

CHARGE DE CONTACT
0,06 mN
CHARGE MAXI
10 mN
TAUX DE CHARGEMENT

20 mN/min

CREEP
70 s
RÉSULTATS ET DISCUSSION

L'évolution de la charge et de la profondeur en fonction du temps est présentée dans le tableau suivant FUGURE 1. On peut observer que sur le tracé du Profondeur en fonction du tempsEn effet, il est très difficile de déterminer le point de changement de pente au début de la période de chargement, qui indique généralement le moment où le pénétrateur commence à entrer en contact avec le matériau mou. Cependant, le tracé de la Charge en fonction du temps montre le comportement particulier de l'hydrogel sous une charge appliquée. Lorsque l'hydrogel commence à entrer en contact avec le pénétrateur à bille, l'hydrogel tire le pénétrateur à bille en raison de sa tension de surface, ce qui tend à diminuer la surface. Ce comportement conduit à la charge négative mesurée au début de l'étape de chargement. La charge augmente progressivement à mesure que le pénétrateur s'enfonce dans l'hydrogel, et elle est ensuite contrôlée pour être constante à la charge maximale de 10 mN pendant 70 secondes afin d'étudier le comportement de fluage de l'hydrogel.

FIGURE 1: Évolution de la charge et de la profondeur en fonction du temps.

Le tracé de la Profondeur de fluage en fonction du temps est présenté dans FIGURE 2et le Charge en fonction du déplacement de l'essai de nanoindentation est illustré dans le tableau ci-dessous. FIGURE 3. L'hydrogel utilisé dans cette étude possède une dureté de 16,9 KPa et un module de Young de 160,2 KPa, calculés à partir de la courbe de déplacement de la charge selon la méthode Oliver-Pharr.

Le fluage est un facteur important pour l'étude des propriétés mécaniques d'un hydrogel. Le contrôle par rétroaction en boucle fermée entre le piézo et la cellule de charge ultrasensible assure une charge constante réelle pendant le temps de fluage à la charge maximale. Comme le montre FIGURE 2, l'hydrogel s'affaisse de ~42 μm en raison du fluage en 70 secondes sous la charge maximale de 10 mN appliquée par la pointe de la bille de 3 mm.

FIGURE 2 : Fluage à une charge maximale de 10 mN pendant 70 secondes.

FIGURE 3 : Tracé de la charge en fonction du déplacement de l'hydrogel.

CONCLUSION

Dans cette étude, nous avons montré que les NANOVEA Le testeur mécanique, en mode nanoindentation, fournit une mesure précise et répétable des propriétés mécaniques d'un hydrogel, notamment la dureté, le module de Young et le fluage. La grande pointe de la bille de 3 mm assure un bon contact avec la surface de l'hydrogel. La platine motorisée de haute précision permet de positionner avec précision la face plate de l'échantillon d'hydrogel sous la pointe de la bille. L'hydrogel utilisé dans cette étude présente une dureté de 16,9 KPa et un module de Young de 160,2 KPa. La profondeur de fluage est de ~42 μm sous une charge de 10 mN pendant 70 secondes.

NANOVEA Les testeurs mécaniques offrent des modules multifonctionnels inégalés, Nano et Micro, sur une seule plate-forme. Les deux modules comprennent un testeur de rayures, un testeur de dureté et un testeur d'usure, offrant ainsi la gamme de tests la plus large et la plus conviviale disponible sur une seule plate-forme.
système.

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