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ハイドロゲルの力学的特性

ハイドロゲルの機械的特性

ナノインデンテーションを用いた

作成者

DUANJIE LI, PhD & JORGE RAMIREZ

はじめに

ハイドロゲルは、その高い吸水性により、天然組織に近い柔軟性を持つことで知られています。この類似性により、ハイドロゲルは生体材料だけでなく、エレクトロニクス、環境、コンタクトレンズなどの消費財の分野でもよく使用されるようになりました。それぞれの用途で、ハイドロゲルの機械的特性が要求されます。

ハイドロゲルにおけるナノインデンテーションの重要性

ハイドロゲルは、試験パラメータの選択や試料調製など、ナノインデンテーションにとってユニークな課題を生み出します。多くのナノインデンテーショ ンシステムは、元来、ナノインデンテーション用に設計されていないため、大きな制約があります。 このような柔らかい材料にナノインデンテーション装置の中には、コイルと磁石の組み合わせで試料に力を加えるものがあります。この場合、実際の力は測定されないため、軟質材料の試験では、不正確で非線形な荷重がかかります。 の材料を使用します。のため、接触点の判断は非常に難しい。 深度だけが実際に測定されるパラメータである。の傾斜の変化を観察することはほとんど不可能です。 深度 vs 時間 のプロットです。 圧子の先端がハイドロゲル材料に接近している期間。

これらのシステムの限界を克服するために、ナノモジュールの ナノビア メカニカルテスター 個別のロードセルを使用してフォース フィードバックを測定し、軟質または硬質を問わず、あらゆる種類の材料に対して高精度を保証します。ピエゾ制御による変位は非常に正確かつ高速です。これにより、コイル/磁石アセンブリを備え、力フィードバックがないシステムでは考慮する必要がある多くの理論的仮定が排除され、粘弾性特性の比類のない測定が可能になります。

測定目的

このアプリケーションでは ナノビア ハイドロゲルサンプルの硬度、弾性率、クリープを調べるために、ナノインデンテーション・モードのメカニカルテスターが使用されています。

ナノビア

PB1000

試験条件

を用いて、スライドガラス上に置いたハイドロゲル試料をナノインデンテーション法で試験した。 ナノビア メカニカルテスター。この柔らかい素材には、直径3mmの球状チップが使用されました。荷重は0.06から10mNまで荷重期間中に直線的に増加した。そして、最大荷重10mNで70秒間の圧痕深さの変化でクリープを測定した。

アプローチ速度 100μm/分

コンタクトロード
0.06 mN
最大負荷
10 mN
荷重レート

20 mN/min

クリープ
70 s
結果・考察

荷重と深さの時間経過に伴う変化を FUGURE 1.のプロット上では、「1.0」「2.0」「3.0」となっていることが観察されます。 深度 vs 時間そのため,通常,圧子が軟質材料に接触し始める指標となる荷重開始時の傾きの変化点を特定することは非常に困難である。しかし 負荷と時間 は、荷重をかけたときのハイドロゲルの特異な挙動を示している。ハイドロゲルがボール圧子に接触し始めると、ハイドロゲルはその表面張力によってボール圧子を引っ張り、表面積が減少する傾向がある。この挙動により、荷重の初期には負の荷重が測定されます。荷重は圧子がハイドロゲルに沈むにつれて徐々に増加し、その後、最大荷重10 mNで70秒間一定になるように制御し、ハイドロゲルのクリープ挙動を研究した。

図1: 荷重と深さの時間的変化。

のプロットです。 クリープ深度-時間 が表示されます。 図2を、そして 荷重-変位 に、ナノインデンテーション試験のプロットを示す。 図3.本研究のハイドロゲルは,Oliver-Pharr 法による荷重変位曲線から算出した硬度が 16.9 KPa,ヤング率が 160.2 KPa であった.

ハイドロゲルの機械的特性を研究する上で、クリープは重要なファクターです。ピエゾと超高感度ロードセル間のクローズドループフィードバック制御により、最大荷重でのクリープ時間中、真の一定荷重を保証します。に示すように 図23mmのボールチップで10mNの最大荷重をかけると、70秒でハイドロゲルがクリープして42μmほど収縮することがわかった。

図2: 最大荷重10mNで70秒間クリープ。

図3: ハイドロゲルの荷重対変位プロット。

まとめ

この研究で、私たちは以下のことを示しました。 ナノビア ナノインデンテーション・モードでは、ハイドロゲルの硬度、ヤング率、クリープなどの機械的特性を正確かつ繰り返し測定することが可能です。3mmの大きなボールチップにより、ハイドロゲル表面に対して適切な接触が得られます。高精度の電動ステージにより、ハイドロゲル試料の平らな面をボールチップの下に正確に位置決めすることができます。この研究で使用したハイドロゲルは、16.9 KPaの硬度と160.2 KPaのヤング係数を示しています。また、10 mN の荷重を 70 秒間かけたときのクリープ深さは約 42 μmであった。

ナノビア メカニカルテスターは、ナノとマイクロの多機能モジュールを1つのプラットフォームで提供します。スクラッチテスター、硬さ試験機、摩耗試験機の3つのモードがあり、1台で様々な試験を行うことができます。
のシステムです。

さて、次はアプリケーションについてです。

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