Polyacrylamide hydrogels. VI. Synthesis-property relation

自愈水凝胶 聚合物 聚丙烯酰胺 材料科学 单体 聚合 模数 弹性模量 复合材料 共价键 高分子化学 化学工程 高分子科学 化学 有机化学 工程类
作者
Yecheng Wang,Guodong Nian,Junsoo Kim,Zhigang Suo
出处
期刊:Journal of The Mechanics and Physics of Solids [Elsevier]
卷期号:170: 105099-105099 被引量:40
标识
DOI:10.1016/j.jmps.2022.105099
摘要

Synthesis-property relation is fundamental to materials science, but many aspects of the relation are not well understood for many materials. Impetus for this paper comes from our recent appreciation for the distinct roles of entanglements and crosslinks in a polymer network. Here we study the synthesis-property relation of polyacrylamide hydrogels prepared by free radical polymerization. Some of the as-prepared hydrogels are further submerged in water to swell either to equilibrium or to a certain polymer content. The synthesis parameters include the composition of a precursor, as well as the polymer content of a hydrogel. Series of hydrogels are prepared along several paths in the space of synthesis parameters. For each hydrogel, the stress-stretch curve is measured, giving four properties: modulus, strength, stretchability, and work of fracture. We interpret the experimentally measured synthesis-property relation in terms of entropic polymer networks of covalent bonds. When the precursor has a low crosslinker-to-monomer molar ratio, the resulting polymer network has on average long polymer segments. When the precursor has a low water-to-monomer molar ratio, the resulting polymer network has on average many entanglements per polymer segment. We show that crosslinks lower strength, but entanglements do not. By contrast, both crosslinks and entanglements increase modulus. A network of highly entangled long polymer segments exhibits high swell resistance, modulus, and strength.
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