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Proprietà meccaniche dell'idrogel

PROPRIETÀ MECCANICHE DELL'IDROGEL

UTILIZZANDO LA NANOINDENTAZIONE

Preparato da

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

INTRODUZIONE

L'idrogel è noto per la sua super capacità di assorbimento dell'acqua, che consente una flessibilità molto simile a quella dei tessuti naturali. Questa somiglianza ha reso l'idrogel una scelta comune non solo nei biomateriali, ma anche nell'elettronica, nell'ambiente e nelle applicazioni di consumo come le lenti a contatto. Ogni singola applicazione richiede specifiche proprietà meccaniche dell'idrogel.

IMPORTANZA DELLA NANOINDENTAZIONE PER GLI IDROGEL

Gli idrogel creano sfide uniche per la nanoindentazione, come la selezione dei parametri di prova e la preparazione dei campioni. Molti sistemi di nanoindentazione presentano limitazioni importanti, in quanto non sono stati originariamente progettati per tali materiali morbidi. Alcuni dei sistemi di nanoindentazione utilizzano un gruppo bobina/magnete per applicare la forza sul campione. Non c'è una misurazione effettiva della forza, il che porta a un carico impreciso e non lineare quando si testano materiali morbidi. materiali. La determinazione del punto di contatto è estremamente difficile, in quanto la La profondità è l'unico parametro che viene effettivamente misurato. È quasi impossibile osservare il cambiamento di pendenza nel Profondità rispetto al tempo durante il periodo in cui la punta del penetratore si avvicina al materiale idrogel.

Per superare le limitazioni di questi sistemi, il nano modulo della NANOVEA Collaudatore meccanico misura il feedback di forza con una cella di carico individuale per garantire un'elevata precisione su tutti i tipi di materiali, morbidi o duri. Lo spostamento piezo-controllato è estremamente preciso e veloce. Ciò consente una misurazione senza eguali delle proprietà viscoelastiche eliminando molti presupposti teorici di cui devono tenere conto i sistemi con un gruppo bobina/magnete e senza feedback di forza.

OBIETTIVO DI MISURAZIONE

In questa applicazione, il NANOVEA Il tester meccanico, in modalità di nanoindentazione, viene utilizzato per studiare la durezza, il modulo elastico e il creep di un campione di idrogel.

NANOVEA

PB1000

CONDIZIONI DI PROVA

Un campione di idrogel posizionato su un vetrino è stato testato con la tecnica della nanoindentazione utilizzando un NANOVEA Tester meccanico. Per questo materiale morbido è stata utilizzata una punta sferica di 3 mm di diametro. Il carico è aumentato linearmente da 0,06 a 10 mN durante il periodo di carico. Il creep è stato misurato in base alla variazione della profondità di indentazione al carico massimo di 10 mN per 70 secondi.

VELOCITÀ DI AVVICINAMENTO: 100 μm/min

CARICO DEL CONTATTO
0,06 mN
CARICO MASSIMO
10 mN
TASSO DI CARICO

20 mN/min

CREEP
70 s
RISULTATI E DISCUSSIONE

L'evoluzione del carico e della profondità in funzione del tempo è mostrata in FUGURA 1. Si può osservare che sul grafico del Profondità rispetto al tempoÈ molto difficile determinare il punto di variazione della pendenza all'inizio del periodo di carico, che di solito serve a indicare il punto in cui il penetratore inizia a contattare il materiale morbido. Tuttavia, il grafico della Carico rispetto al tempo mostra il particolare comportamento dell'idrogel sotto un carico applicato. Quando l'idrogel inizia a entrare in contatto con il penetratore a sfera, l'idrogel tira il penetratore a sfera a causa della sua tensione superficiale, che tende a diminuire l'area superficiale. Questo comportamento porta al carico negativo misurato all'inizio della fase di carico. Il carico aumenta progressivamente man mano che il penetratore affonda nell'idrogel e viene poi controllato per essere costante al carico massimo di 10 mN per 70 secondi per studiare il comportamento a scorrimento dell'idrogel.

FIGURA 1: Evoluzione del carico e della profondità in funzione del tempo.

La trama del Profondità di scorrimento rispetto al tempo è mostrato in FIGURA 2, e il Carico vs. Spostamento Il grafico della prova di nanoindentazione è mostrato in FIGURA 3. L'idrogel di questo studio possiede una durezza di 16,9 KPa e un modulo di Young di 160,2 KPa, calcolati sulla base della curva di spostamento del carico con il metodo Oliver-Pharr.

Il creep è un fattore importante per lo studio delle proprietà meccaniche di un idrogel. Il controllo di retroazione close-loop tra il piezo e la cella di carico ultrasensibile assicura un carico realmente costante durante il tempo di creep al carico massimo. Come mostrato in FIGURA 2L'idrogel cede ~42 μm per effetto del creep in 70 secondi sotto il carico massimo di 10 mN applicato dalla punta a sfera di 3 mm.

FIGURA 2: Strisciamento a un carico massimo di 10 mN per 70 secondi.

FIGURA 3: Grafico del carico rispetto allo spostamento dell'idrogel.

CONCLUSIONE

In questo studio, abbiamo mostrato che il NANOVEA Il tester meccanico, in modalità di nanoindentazione, fornisce una misura precisa e ripetibile delle proprietà meccaniche di un idrogel, tra cui durezza, modulo di Young e creep. La grande punta a sfera da 3 mm assicura un contatto corretto con la superficie dell'idrogel. Lo stadio del campione motorizzato ad alta precisione consente di posizionare con precisione la faccia piatta del campione di idrogel sotto la punta a sfera. L'idrogel di questo studio presenta una durezza di 16,9 KPa e un modulo di Young di 160,2 KPa. La profondità di scorrimento è di ~42 μm sotto un carico di 10 mN per 70 secondi.

NANOVEA I tester meccanici offrono moduli Nano e Micro multifunzione ineguagliabili su un'unica piattaforma. Entrambi i moduli includono un tester di graffi, un tester di durezza e una modalità di tester di usura, offrendo la più ampia e semplice gamma di test disponibili su un'unica piattaforma.
sistema.

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