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Dynamics of Dual Networks: Strain Rate and Temperature Effects in Hydrogels with Reversible H-Bonds

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作者
Xiaobo Hu,Jing Zhou,William F. M. Daniel,Mohammad Vatankhah‐Varnoosfaderani,Andrey V. Dobrynin,Sergei S. Sheiko
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:50 (2): 652-659 被引量:81
标识
DOI:10.1021/acs.macromol.6b02422
摘要

Combining high concentration of reversible hydrogen bonds with a loosely cross-linked chemical network in poly(N,N-dimethylacrylamide-co-methacrylic acid) hydrogels produces dual-network materials with high modulus and toughness on par with those observed for connective tissues. The dynamic nature of the H-bonded cross-links manifests itself in a strong temperature and strain rate dependence of hydrogel mechanical properties. We have identified several relaxation regimes of a hydrogel by monitoring a time evolution of the time-average Young's modulus ⟨E(t)⟩ = σ(t)/ε̇t as a function of the strain rate, ε̇, and temperature. At low temperatures (e.g., 3 °C), ⟨E(t)⟩ first displays a Rouse-like relaxation regime (⟨E(t)⟩ ∼ t–0.5), which is followed by a temporary (physical) network regime (⟨E(t)⟩ ∼ t–0.14) at intermediate time scales and then by an associating liquid regime (⟨E(t)⟩ ∼ t–0.93) at the later times. With increasing temperature to 22 °C, the temporary network plateau displays lower modulus values, narrows, and shifts to shorter time scales. Finally, the plateau vanishes at 37 °C. It is shown that the energy dissipation in hydrogels due to strain-induced dissociation of the H-bonded cross-links increases hydrogel toughness. The density of dissipated energy at small deformations scales with strain rate as UT ∼ ε̇0.53. We develop a model describing dynamics of deformation of dual networks. The model predictions are in a good agreement with experimental data. Our analysis of the dual network's dynamics provides general frameworks for characterization of such materials.
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