刘 岩 王惠明,†,2)

∗(浙江大学工程力学系,杭州 310027)

†(浙江省软体机器人与智能器件研究重点实验室,杭州 310027)

引言

聚合物网络是由聚合物链交联构成的一种复杂三维网状结构,在外界激励下可能产生超大变形.由于凝胶具有良好弹性、生物相容性和生物降解性,被广泛应用于组织工程[1]、药物运输[2]和细胞培养[3]等领域.浸没在溶剂中的聚合物吸收大量溶剂分子形成凝胶并伴随发生溶胀[4].溶胀过程受化学势的影响[5],当凝胶内外溶剂分子化学势相等且满足力学平衡时凝胶达到平衡状态,此时网络不再吸纳溶剂分子,进入饱和状态.凝胶的溶胀变形同时也受环境温度、pH 值和网络交联密度等因素影响[6-7].

关于凝胶的溶胀响应分析,通常采用基于自由能理论的模型,包括两部分,一部分是聚合物网络被拉伸产生的自由能,另一部分是溶剂分子与网络混合产生的混合能.对于聚合物网络被拉伸产生的自由能部分,基于宏观唯象模型的有neo-Hookean 模型[8]、Money-Rivlin 模型[9]、Gent 模型[10]和Ogden 模型[11]等.从微观角度,认为聚合物变形响应主要源于单链构形熵的变化,其理论模型包括三链模型[12](认为空间内单链主要分布在3 个相互垂直的方向),四面体模型[13-14](4 条链交联在正四面体中心点),八链模型[15](单链分布在六面体对角线)以及全网络模型[16](考虑空间中单链具有随机取向),其中三链模型认为聚合物在变形过程中宏观网络与微观单链变形是仿射关系(即宏观网络和微观单链变形相……