Transient-State Rheological Behavior of Poly(ethylene glycol) Diacrylate Hydrogels at High Shear Strain Rates
Transient-State Rheological Behavior of Poly(ethylene glycol) Diacrylate Hydrogels at High Shear Strain Rates
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高剪切应变率下聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶的瞬态流变行为
DOI：
10.1021/acs.macromol.9b00820
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发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
5.5
通讯作者：
Spearot, Douglas E.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Luo, Ke;Upadhyay, Kshitiz;Subhash, Ghatu;Spearot, Douglas E.
通过分子动力学模拟确定聚乙二醇二丙烯酸酯 (PEGDA) 水凝胶在库埃特流动条件下的瞬时流变特性，并通过高应变率剪切实验进行验证。具体来说，研究了 20、25、50 和 70 wt% PEGDA 水凝胶的聚合物浓度对瞬态剪切增稠行为的影响。瞬态剪切响应的特征是引入无量纲变量并将自相似解应用于幂律流体模型。这使得能够在模拟和实验之间的不同长度和时间尺度上对剪切增稠指数和瞬态粘度进行有意义的比较。发现动量扩散指数随着 PEGDA 浓度的降低而增加，这表明较低 PEGDA 浓度的水凝胶具有更高的剪切增稠行为。通过计算聚合物网络中的平均网格尺寸和连接分离的分布来解释水凝胶中的剪切增稠机制。在剪切下观察到 PEGDA 链变形的两个阶段，其中第一阶段与链构象变化相关，第二阶段与键长和角度偏差相关。 PEGDA 浓度较低的水凝胶平均网格尺寸增加得更快，这在两个变形阶段提供了更高的抗剪切力，促进了更大的剪切增稠行为。
Transient rheological properties of poly(ethylene glycol) diacrylate (PEGDA) hydrogels under Couette flow conditions are determined via molecular dynamics simulations and validated by high strain rate shear experiments. Specifically, the influence of polymer concentration on the transient-state shear-thickening behavior is studied for 20, 25, 50, and 70 wt % PEGDA hydrogels. The transient shear response is characterized by the introduction of dimensionless variables and the application of a self-similar solution to the power-law fluid model. This enables meaningful comparison of the shear-thickening exponent and the transient-state viscosity across the disparate length and time scales between simulations and experiments. The momentum diffusion exponent is found to increase with a decrease in PEGDA concentration, which indicates higher shear-thickening behavior in lower PEGDA concentration hydrogels. Shear-thickening mechanisms in hydrogels are explained by computing the average mesh sizes in the polymer networks and the distributions of junction separations. Two stages of PEGDA chain deformations are observed under shear, where the first stage is associated with chain conformational changes and the second stage is associated with bond length and angular deviations. Hydrogels with lower PEGDA concentration show a faster increase in the average mesh size, which offers higher resistance to shear in both deformation stages, promoting greater shear-thickening behavior.
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