论文部分内容阅读
水凝胶由于其具有比硬质固体物质低得多的摩擦力和摩擦系数,成为人工软骨和组织替代物的理想材料。而双层网络水凝胶具有很好的力学性能使其成为研究的首选替代物。本论文采用紫外光引发聚合的方法制备了第一、二层交联度各不相同的双层网络聚2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸—聚丙烯酰胺(PAMPS-PAAm)水凝胶,测试了其拉伸强度、撕裂强度、PAAm水凝胶的压缩强度和平衡溶胀比,从微观上观察了水凝胶断面的内部结构图,并研究了其在变温和变频条件下的动态机械性能。测试了载荷和温度对PAMPS-PAAm水凝胶摩擦系数的影响,根据其在不同速率下的摩擦行为,分析了二者之间的非线性关系,同时根据排斥——吸附模型,分析了水凝胶在不同基板上的摩擦行为。研究发现,PAMPS-PAAm水凝胶的拉伸强度分别随着第一、二层网络结构交联度的增加而增加,甚至在平衡溶胀比达到8时其拉伸强度高达1Mpa,并且当凝胶组成为PAMPS-PAAm 1-4-0.1+2-0.01-0.01时,在拉伸过程中凝胶出现结晶材料所特有的“颈缩”现象。而其撕裂强度更多的受交联度大而网格较小的第一层网络结构所决定。对于PAAm水凝胶,随着交联度的增加其压缩模量也随之增加,并且分子链间平均分子量随之减少,而Huggins参数在低交联度时无变化,当交联度达到一定值时变迅速变小。SEM图像进一步说明了第二层交联网络结构对整个水凝胶力学性能的影响,在于使网络结构更加稳定、均一,使网格变小,密度增大。测定上述性能最优的PAMPS-PAAm水凝胶的在钢板上的摩擦系数,发现当滑动速率为100mm/min,载荷为2N,温度为37℃时,其摩擦系数为0.01,远远低于固体物质间的摩擦系数(>1)。当PAMPS-PAAm水凝胶在钢板上滑动摩擦时,其摩擦系数随着温度升高而变大,随着载荷的增加而增大。当滑动速率较低时,摩擦力主要受分子链的弹性阻力的影响随着滑动速率的增大而增加;当滑动速率较高时,摩擦力主要来自于水凝胶与基板界面间水动态层的流体阻力,随着滑动速率的增加而增大;而当速率介于二者之间时,水凝胶由于润滑层的效应而略低于上述两种状态。选用亲水性递增的PTFE、Steel、PET、Glass基板,比较PAMPS-PAAm在这四种基板上的摩擦系数,发现在亲水性基板上滑动时遵循排斥——吸附模型中的吸附模型,然后再憎水性基板上滑动时的排斥现象仍需进一步的研究。