Swelling kinetics of constrained hydrogel spheres

Abstract

용매에 담근 가교 폴리머 네트워크는 주변 분자를 흡수하여 일시적인 팽 창을 일으킵니다. 엔트로피에 의한 혼합 거동으로 인해 용매 분자가 네 트워크 내에서 흐르고 기공을 채우면서 기공 압력이 증가합니다. 그런 다음 네트워크가 늘어나서 기공의 크기가 커지고 더 많은 용매가 안쪽으 로 흐르게 됩니다. 젤의 투과성은 모공의 크기에 따라 증가하여 팽창 과 정의 동역학에 영향을 미칩니다. 에너지적으로 유리한 혼합과 에너지적 으로 불리한 연신 사이에 평형에 도달하면 팽창이 멈춥니다. 반투과성 멤브레인의 제약 하에서 시스템은 덜 팽창하고 그 대가로 더 큰 내부 압 력을 증가시킵니다. 제약된 성장에 대한 이론적 분석은 지금까지 존재하 지 않았습니다. 우리는 비선형 포로엘라스틱 이론을 사용하여 제약 조건 하에서 팽창의 동역학을 모델링하고 시뮬레이션 결과가 3-설포프로필 아 크릴산 칼륨 염과 아크릴아마이드의 혼합물로 만든 하이드로젤 비드의 실험 데이터와 잘 일치한다는 것을 발견했습니다. 제한된 하이드로젤이 팽창하는 동안 발생하는 응답 시간과 작동 응력을 이해하고 예측하면 폴 리머 기반 소프트 액추에이터를 설계하는 데 도움이 됩니다.

A cross linked polymer network immersed in a solvent will absorb molecules from its surroundings, leading to transient swelling. The entropy driven mixing behavior makes the solvent molecules flow in the network and fill its pores, increasing the pore pressure. The network is then stretched, increasing the pores size and allowing for more solvent to flow inward. The permeability of the gel should increase with the pores size, affecting the kinetics of the swelling process. When an equilibrium is reached between the energetically favorable mixing and the energetically unfavorable stretching, the swelling stops. Under the constraint of a semi-permeable membrane, the system will swell less and grow a larger internal pressure in return. No theoretical analysis of the constrained growth has existed so far. We use a nonlinear poroelastic theory to model the kinetics of swelling under constraint and find the simulation results agree well with our experimental data from hydrogel beads made of a mixture of 3 sulfopropyl acrylate potassium salt and acrylamide, bathed in water. Understanding and predicting the response time and the actuation stress developed during the swelling of constrained hydrogels help the design of polymer based soft actuators.