導(dǎo)讀
水凝膠憑借其高含水量、生物相容性和可調(diào)控的力學(xué)性能，在生物醫(yī)學(xué)、柔性電子、組織工程等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，水凝膠的力學(xué)性能關(guān)乎其在組織工程中的適配性、在藥物緩釋中的穩(wěn)定性；在柔性電子領(lǐng)域，水凝膠的彈性與耐疲勞性影響著柔性傳感器的靈敏度和使用壽命。然而，其復(fù)雜的粘彈性行為和多尺度結(jié)構(gòu)特性，對(duì)材料測(cè)試提出了極高要求。
島津電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)憑借高精度、智能化的解決方案，成為破解水凝膠力學(xué)性能的關(guān)鍵工具。水凝膠的力學(xué)性能，包括拉伸強(qiáng)度、壓縮模量、剪切強(qiáng)度等，直接決定了其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。針對(duì)水凝膠的力學(xué)性能測(cè)試，島津提供了一系列全面、系統(tǒng)、高精度的測(cè)試設(shè)備和定制化服務(wù)。
【島津方案】
▍分析利器
- AGX-V2 10kN
- EZ系列
適用水凝膠力學(xué)測(cè)試的電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)型
產(chǎn)品特點(diǎn)
島津電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在水凝膠力學(xué)測(cè)試中展現(xiàn)出多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：
AGX-V2具有10kHz超高速采樣（0.1ms間隔）與最高±0.3%載荷精度，精準(zhǔn)捕捉水凝膠的瞬時(shí)應(yīng)力松弛或脆性斷裂；
EZ系列以單柱緊湊設(shè)計(jì)適配小型實(shí)驗(yàn)室，支持0.001~1000mm/min寬速域，兼顧低速降解模擬與高速循環(huán)測(cè)試。
全系列均支持TRAPEZIUMX-V軟件多通道數(shù)據(jù)同步分析，兼容定制夾具，可系統(tǒng)性測(cè)定彈性模量、抗拉強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)。
▍應(yīng)用案例分享
1拉伸測(cè)試
單一拉伸
單一拉伸測(cè)試是指在特定條件下，對(duì)水凝膠試樣施加一次持續(xù)穩(wěn)定的拉伸載荷，直至試樣發(fā)生斷裂或達(dá)到預(yù)設(shè)的試驗(yàn)終止條件，其原理是通過(guò)測(cè)量拉伸過(guò)程中施加的力和試樣的變形量，計(jì)算出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及相關(guān)力學(xué)性能指標(biāo)，獲取水凝膠在單次拉伸過(guò)程中的力學(xué)性能參數(shù)，包括拉伸強(qiáng)度、斷裂應(yīng)力、斷裂伸長(zhǎng)率、彈性模量等。此模式常用于初步評(píng)估水凝膠的基本拉伸性能，了解材料在簡(jiǎn)單拉伸工況下的力學(xué)行為。島津TRAPEZIUMX-V系列軟件提供了對(duì)應(yīng)計(jì)算力學(xué)參量的選項(xiàng)，并能實(shí)現(xiàn)斷裂能的自動(dòng)求算。
【三種柔性傳感器用水凝膠力學(xué)性能的測(cè)定】
圖1 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果：（a) 試驗(yàn)過(guò)程；(b) 樣品圖；(c) 應(yīng)力-行程應(yīng)變曲線
表1 測(cè)試結(jié)果
方案特點(diǎn)
√ AGX-V2 10kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用0.5級(jí)高精度力傳感器（1/1000~1/100的精度測(cè)量范圍），位移精度可達(dá)±0.05%，可精準(zhǔn)捕捉水凝膠在微小變形過(guò)程中的力學(xué)響應(yīng)（如應(yīng)力-應(yīng)變曲線）。
√ 10N夾子式拉伸夾具采用杠桿和彈簧結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)夾口的開(kāi)閉及夾持力調(diào)整，可輕松應(yīng)對(duì)塑料、線材、橡膠等小力值材料。
循環(huán)拉伸
循環(huán)拉伸測(cè)試是水凝膠試樣反復(fù)施加拉伸和卸載的循環(huán)載荷，模擬材料在實(shí)際使用過(guò)程中可能經(jīng)歷的多次應(yīng)力變化情況。通過(guò)觀察和分析試樣在多個(gè)循環(huán)周期內(nèi)的力學(xué)性能變化，研究材料的疲勞特性、彈性恢復(fù)能力以及長(zhǎng)期耐久性等性能。島津TRAPEZIUMX-V系列軟件提供加載-卸載曲線所形成的能量自動(dòng)積分方法并計(jì)算遲滯能和能量耗散系數(shù)，無(wú)需導(dǎo)出Excel表格再計(jì)算，具有操作簡(jiǎn)單，使用方便的特點(diǎn)。
【高遲滯水凝膠拉伸性能的測(cè)定】
圖2 測(cè)試過(guò)程及結(jié)果：（a) 樣品圖；(b) 試驗(yàn)過(guò)程；(c) 應(yīng)力-行程應(yīng)變曲線；(d) 應(yīng)力-時(shí)間曲線
表2 測(cè)試結(jié)果
方案特點(diǎn)
√ 島津AGS-X 10kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定精度高，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性；
√ TRAPEZIUMX-V軟件功能強(qiáng)大，配置多類型試驗(yàn)?zāi)K，可完成不同類型試驗(yàn)并對(duì)指定位置進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
控制拉伸
控制拉伸測(cè)試是一種更為精確和靈活的拉伸試驗(yàn)方式，它通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制試樣在拉伸過(guò)程中的某個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（如應(yīng)力、應(yīng)變、位移等），使試驗(yàn)條件始終保持穩(wěn)定，以確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。此試驗(yàn)?zāi)K適用于對(duì)試驗(yàn)精度要求較高的研究工作，如深入探究水凝膠材料的本構(gòu)關(guān)系、研究材料在不同應(yīng)力水平下的微觀結(jié)構(gòu)演變等。
【人體水凝膠貼片控制拉伸測(cè)試】
圖3 水凝膠貼片測(cè)試：(a) 試驗(yàn)過(guò)程；(b) 應(yīng)力-行程應(yīng)變曲線；(c) 行程應(yīng)變-時(shí)間曲線
方案特點(diǎn)
√ 島津AGS-X 10kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量精度高，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
√ TRAPEZIUMX-V軟件功能強(qiáng)大，配置控制模式，能對(duì)每段區(qū)間進(jìn)行試驗(yàn)方法設(shè)置。
2 壓縮測(cè)試
水凝膠壓縮測(cè)試基于材料力學(xué)的基本原理，通過(guò)對(duì)水凝膠試樣施加軸向壓力，使其發(fā)生變形，同時(shí)測(cè)量所施加的力以及試樣的變形量，進(jìn)而計(jì)算出材料的力學(xué)性能參數(shù)。島津TRAPEZIUMX-V系列軟件同樣也提供了單一壓縮、循環(huán)壓縮和控制壓縮測(cè)試模式，可以對(duì)水凝膠壓縮過(guò)程中的微小力和位移進(jìn)行測(cè)定。
圖4 水凝膠壓縮測(cè)試：(a) 壓盤(pán)壓縮過(guò)程；(b) 載荷-位移曲線；(c) 載荷-時(shí)間曲線
方案特點(diǎn)
√ 島津AGS-X 10kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量精度高，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
√ TRAPEZIUMX-V軟件功能強(qiáng)大，配置控制模式，能對(duì)每段區(qū)間進(jìn)行試驗(yàn)方法設(shè)置。
3 剝離測(cè)試
水凝膠剝離測(cè)試是評(píng)估其界面粘附性能及斷裂韌性的關(guān)鍵方法，主要應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)敷料、柔性電子器件等場(chǎng)景。測(cè)試通常采用180°剝離或90°剝離兩種方式，前者模擬柔性貼劑撕脫的實(shí)際工況，后者適用于剛性基材的界面分離。測(cè)試過(guò)程中需通過(guò)專用夾具固定試樣（如直條型或圓柱形水凝膠），確保剝離角度穩(wěn)定，避免數(shù)據(jù)偏差。通過(guò)記錄剝離力-位移曲線，可計(jì)算界面粘附強(qiáng)度。
圖5 退熱貼180°剝離測(cè)試：(a) 剝離過(guò)程；(b) 退熱貼樣品；(c) 載荷-行程曲線
方案特點(diǎn)
√ AGX-V2 10kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)采用高精度力傳感器（0.5級(jí)），橫梁位移精度可達(dá)±0.05%，可精確獲得載荷-行程關(guān)系曲線。
√ TRAPEZIUMX-V系列軟件配置剝離模塊，可對(duì)指定區(qū)間計(jì)算獲得平均載荷、峰值、谷值等數(shù)據(jù)。
針對(duì)不同類型的水凝膠力學(xué)測(cè)試，島津還提供多類試驗(yàn)夾具和多樣化的定制方案，能夠滿足各類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于水凝膠的測(cè)試需求。
