剪切稀化、自愈合、温敏、光敏，如何用流变学表征水凝胶的这些特性？

原创 EFL EngineeringForLife

设计了一种水凝胶，那么如何打开“一扇洞察水凝胶内部结构的窗口”？譬如，所构建的水凝胶是否具备可挤出打印性、自愈合性、温敏/光敏性等，通常这些性质的研究都离不开流变学分析。流变学是研究材料形变和流动(连续形变)的科学，其作为观察材料内部结构的窗口，在水凝胶研究中占据着重要的一环。那么，该如何选择合适的流变学测试方法来验证以上这些特性呢？本期，EFL带大家了解常见的水凝胶流变学表征（剪切稀化、自愈合、温敏、光敏等）的简要原理及研究案例，让非相关专业研究人员能更好地读懂这些测试结果。

在弄清楚流变学相关测试前，需要先了解一些常用的术语，如黏度、模量。

黏度

🔸测试模式：旋转剪切（单向旋转）

🔸简介：流体内部反抗这种流动的内摩擦阻力。在一定旋转剪切速率下，将剪切应力与剪切速率的比值定义为该剪切速率下的表观剪切黏度，简称为黏度。

图1 黏度测试示意图

在一定的时间和温控程序下，沿一定方向、或按一定角频率，在可控的剪切速率/应力/应变下，进行旋转剪切测试，获取黏度随剪切速率/剪切应力/时间/温度的变化关系。

图2 ChMA（甲基丙烯酰化壳聚糖）/GelMA复合凝胶的黏度表征：b）25℃下，各组凝胶黏度随剪切速率（0.001-100s⁻¹）的变化曲线；c）黏度随温度的变化曲线（5-40℃）

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c01321

模量

🔸测试模式：振荡剪切（往复扭转）

🔸简介：材料抵抗弹性变形的能力--多硬或多软。

储能模量(G’)：又称为弹性模量，是指材料在发生形变时，由于弹性（可逆）形变而储存能量的大⼩，反映材料弹性大小。

损耗模量(G’’)：又称粘性模量，是指材料在发生形变时，由于粘性形变（不可逆）⽽损耗的能量大⼩，反映材料粘性大小。

图3 模量测试示意图

点击图片，可查看EFL往期关于模量解说的【科普漫画】篇，让您更懂模量！

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流变学主要研究各种材料的蠕变和应力松弛的现象，具体呈现在材料黏度、模量的变化等。剪切稀化、自愈合、温敏、光敏是各类功能水凝胶的典型特征。如何通过科学的表征方法验证这些特性呢？接下来，带大家了解一下水凝胶研究中常见的流变学应用：

剪切稀化

🔸简介：通常剪切稀化现象是对流体的表征，由于流体中的粒子发生定向、伸展、变形或分散等使流动阻力减少而造成的。而对于水凝胶是先发生屈服，变成流体后出现剪切稀化现象，一般选用旋转测试，以剪切速率为变量。

🔸测试方式：在一定的时间和温度程序下，沿一定方向，逐渐增大剪切速率或剪切应变，测试黏度随剪切速率或剪切应变的变化关系。若黏度或模量可随着剪切速率或剪切应变的增大而逐渐减小，则表明该水凝胶具有剪切稀化特性。

图4 多壁碳纳米管（MWNT）/氧化石墨烯纳米带（GONR）复合水凝胶的剪切稀化流变学表征：b, 黏度随剪切速率（0–100 1/s）的变化曲线，表明了凝胶的剪切稀化特性

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acsami.1c24733

自愈合

🔸简介：基于非共价键（包含多重氢键、主客体作用、金属配位键等）和共价键（包含亚胺键、酰腙键等）构建的自愈合水凝胶在受到往复变化的剪切应变作用时，模量或黏度随之发生动态变化，并能恢复至原来的模量强度和黏度值。

🔸测试方式：在一定的时间和温度程序下，振荡剪切应变动态变化（从小到大，或从大到小），测试模量的动态变化图（以时间为横坐标）。若模量可恢复至较小应变时的数值，则表明该水凝胶具有自愈合特性。

图5 基于醛基化透明质酸（HA-CHO）及氨基化透明质酸（HA-ADH）水凝胶的自愈合特性：I, 储能/耗能模量（G’/G’’）随剪切应变（5%–1000%）的变化曲线，表明了凝胶的自愈合特性；J, 着色凝胶的自愈合可视化表征

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202106564

温敏

🔸简介：温敏水凝胶随温度变化发生溶胶-凝胶（Sol-Gel）或凝胶-溶胶（Gel-Sol）转变过程中，凝胶模量随之变大或变小的流变现象。

🔸测试方式：在一定的时间和温度程序下，按一定振荡应变及速率，温度逐渐增大或减小，测试模量的动态变化图（以温度为横坐标）。

图6 不同浓度EFL-GM60系列水凝胶（5%/10%/15%（w/v））升降温时的温敏特性及相转变温度

原文链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/aFTnGHNUjOlEQc_x21VcnA

光敏

🔸简介：通常来讲，是指基于光敏固化原理的水凝胶（双键功能化只是形成光固化水凝胶的一种手段）在外界光照（可见光或紫外光等）下发生凝胶化，其储能模量G’随之增大的现象。

🔸测试方式：通常在一定振荡应变及速率条件下，测试凝胶储能及损耗模量随光照的变化曲线（以时间为横坐标）。

图7 光固化水凝胶光敏测试示意图

图8 EFL-GM30/60/90光敏流变测试：光固化过程及最终凝胶储能模量G’

原文链接：

https://mp.weixin.qq.com/s/aFTnGHNUjOlEQc_x21VcnA

EFL小贴士

以上简单介绍了流变学中的常见术语以及在水凝胶研究中的应用，在研究课题时，可从待说明的问题（如凝胶的可注射性、自愈合性等）出发，选取合适科学的测试手段来验证自己的观点。

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