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하이드로겔의 기계적 특성

하이드로겔의 기계적 특성

나노 들여쓰기 사용

작성자

DUANJIE LI, 박사 및 조르쥬 라미레즈

소개

하이드로겔은 수분을 매우 잘 흡수하여 자연 조직과 매우 유사한 유연성을 가진 것으로 알려져 있습니다. 이러한 유사성 덕분에 하이드로겔은 생체 재료뿐만 아니라 전자, 환경, 콘택트렌즈와 같은 소비재 분야에서도 널리 사용되고 있습니다. 각각의 고유한 응용 분야에는 특정한 하이드로젤 기계적 특성이 필요합니다.

하이드로겔을 위한 나노 인덴테이션의 중요성

하이드로젤은 테스트 파라미터 선택 및 시료 준비와 같은 나노인덴테이션에 고유한 문제를 야기합니다. 많은 나노인덴테이션 시스템은 원래 다음과 같은 용도로 설계되지 않았기 때문에 큰 한계가 있습니다. 부드러운 소재에 적합합니다. 일부 나노 압입 시스템은 코일/자석 어셈블리를 사용하여 시료에 힘을 가합니다. 실제 힘 측정이 없기 때문에 연질 테스트 시 부정확하고 비선형적인 하중이 발생합니다. 재료. 접촉 지점을 결정하는 것은 매우 어렵습니다. 깊이는 실제로 측정되는 유일한 매개 변수입니다. 수심에서 경사 변화를 관찰하는 것은 거의 불가능합니다. 깊이 대 시간 플롯 중 인덴터 팁이 하이드로젤 소재에 접근하는 기간입니다.

이러한 시스템의 한계를 극복하기 위해 나노 모듈은 나노베아 기계 테스터 개별 로드 셀로 힘 피드백을 측정하여 부드럽거나 단단한 모든 유형의 재료에 대한 높은 정확도를 보장합니다. 압전 제어 변위는 매우 정확하고 빠릅니다. 이를 통해 코일/자석 어셈블리가 있고 힘 피드백이 없는 시스템이 설명해야 하는 많은 이론적 가정을 제거함으로써 점탄성 특성에 대한 탁월한 측정이 가능합니다.

측정 목표

이 애플리케이션에서는 나노베아 나노 압입 모드의 기계적 시험기는 하이드로겔 시료의 경도, 탄성 계수 및 크리프를 연구하는 데 사용됩니다.

나노베아

PB1000

테스트 조건

유리 슬라이드 위에 놓인 하이드로겔 샘플을 나노 인덴테이션 기법을 사용하여 테스트했습니다. 나노베아 기계식 테스터. 이 부드러운 소재에는 직경 3mm의 구형 팁이 사용되었습니다. 하중은 로딩 기간 동안 0.06에서 10mN까지 선형적으로 증가했습니다. 그런 다음 70초 동안 최대 하중 10mN에서 압입 깊이의 변화로 크립을 측정했습니다.

접근 속도: 100μm/min

연락처 로드
0.06mN
최대 로드
10mN
로딩 속도

20mN/min

CREEP
70 s
결과 및 토론

시간에 따른 부하 및 깊이의 변화는 다음과 같습니다. 그림 1. 의 음모에서 관찰 할 수 있습니다. 깊이 대 시간로딩 기간이 시작될 때 경사 변화 지점을 결정하는 것은 매우 어려우며, 이는 일반적으로 압자가 부드러운 재료에 닿기 시작하는 지점으로 작동합니다. 그러나 로드 대 시간 은 하중이 가해졌을 때 하이드로겔의 특이한 거동을 보여줍니다. 하이드로젤이 볼 압자와 접촉하기 시작하면 표면 장력으로 인해 하이드로젤이 볼 압자를 잡아당겨 표면적이 감소하는 경향이 있습니다. 이러한 동작으로 인해 로딩 단계 초기에 측정된 하중이 마이너스가 됩니다. 압자가 하이드로젤에 가라앉으면서 하중이 점진적으로 증가하고, 이후 하이드로젤의 크리프 거동을 연구하기 위해 70초 동안 최대 하중 10mN에서 일정하도록 제어합니다.

그림 1: 시간의 함수에 따른 하중과 깊이의 변화.

의 줄거리는 크립 깊이 대 시간 에 표시되며 그림 2하중 대 변위 나노 인덴테이션 테스트의 플롯은 다음과 같습니다. 그림 3. 이 연구에서 사용된 하이드로겔의 경도는 16.9 KPa, 영탄성계수는 160.2 KPa이며, 올리버-파르 방법을 사용하여 하중 변위 곡선을 기반으로 계산한 결과입니다.

크리프는 하이드로젤의 기계적 특성을 연구하는 데 중요한 요소입니다. 피에조와 초감도 로드셀 사이의 폐쇄 루프 피드백 제어는 최대 하중에서 크리프 시간 동안 실제로 일정한 하중을 보장합니다. 에 표시된 바와 같이 그림 2에서 하이드로겔은 3mm 볼 팁에 가해지는 최대 10mN 하중 하에서 70초 동안 크리프의 결과로 최대 42μm까지 가라앉습니다.

그림 2: 70초 동안 최대 10mN의 부하에서 크리핑.

그림 3: 하이드로젤의 하중 대 변위 플롯입니다.

결론

이 연구에서 우리는 나노베아 기계식 테스터는 나노 압입 모드에서 경도, 영 계수 및 크리프 등 하이드로겔의 기계적 특성을 정밀하고 반복적으로 측정할 수 있습니다. 3mm의 대형 볼 팁은 하이드로겔 표면에 적절히 접촉할 수 있도록 합니다. 고정밀 모터식 샘플 스테이지를 통해 볼 팁 아래 하이드로겔 샘플의 평평한 면을 정확하게 배치할 수 있습니다. 이 연구의 하이드로겔은 16.9 KPa의 경도와 160.2 KPa의 영 계수를 나타냅니다. 크리프 깊이는 70초 동안 10mN 하중에서 ~42μm입니다.

나노베아 기계식 테스터는 단일 플랫폼에서 타의 추종을 불허하는 다기능 나노 및 마이크로 모듈을 제공합니다. 두 모듈 모두 스크래치 테스터, 경도 테스터, 마모 테스터 모드가 포함되어 있어 단일 플랫폼에서 가장 광범위하고 사용자 친화적인 테스트 범위를 제공합니다.
시스템.

이제 애플리케이션에 대해 이야기해 보겠습니다.

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