哈克（HAAKE）旋轉(zhuǎn)流變儀在水凝膠上的應(yīng)用

某種水溶性蛋白分子，加入交聯(lián)劑混合均勻后，快速加載到旋轉(zhuǎn)流變儀上，在37℃會逐漸形成凝膠。凝膠過程如圖1所示，樣品初始狀態(tài)黏性模量G”大于彈性模量G’，代表體系為液體流動狀態(tài)。隨著時間的延長，反應(yīng)逐步進行，G”和G’出現(xiàn)交點，出現(xiàn)交點的時間即為樣品在特定頻率下（1Hz）的凝膠點(Gel point)。凝膠點后，G’大于G”代表彈性三維網(wǎng)絡(luò)的形成。后期模量趨于穩(wěn)定，代表凝膠趨于結(jié)束。隨著反應(yīng)物濃度的提高（濃度3＞2＞1），凝膠速度逐漸加快，30min后形成的凝膠強度也逐漸提高。

圖1、3種不同反應(yīng)物濃度溶液的凝膠過程

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某些溫敏型水凝膠具有可逆凝膠轉(zhuǎn)變特征。如圖2的卡拉膠溶液，溫度較高時為液態(tài)，降溫后可轉(zhuǎn)變?yōu)殡y以流動的凝膠態(tài)（Gel point=40.7℃），升溫又可轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢鲃拥囊簯B(tài)（63.1℃），再降溫又可逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。這種可逆的特性在許多應(yīng)用場合，非常具有實用價值。

圖2、卡拉膠溶液的可逆溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變

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水凝膠的強度，指其彈性模量G’和黏性模量G”與頻率的關(guān)系。其中彈性模量G’又稱儲能模量，可代表凝膠的剛硬程度，其值越大，凝膠越硬；黏性模量G”又稱損耗模量，其與G’的比值可表征凝膠形變后的回彈能力，比值越小，凝膠形變后越易回彈而不至于流動。模量的具體值要符合特定應(yīng)用場景的要求，如人體皮膚的彈性模量約10⁵~10⁶ Pa。模量與頻率的關(guān)系可反映凝膠化的程度，如完全凝膠化的樣品（三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)完整），在測試的頻率范圍內(nèi)(0.1-100 rad/s)，G’>G’’，且G’與頻率的變化關(guān)系不大。如下圖3。

圖3、某種凝膠的強度測試（點擊查看大圖）

許多應(yīng)用場景下（如玻尿酸類凝膠、自修復(fù)人體組織），水凝膠會發(fā)生較大的形變（超過線性黏彈區(qū)LVR），之后恢復(fù)到初始狀態(tài)的能力決定了質(zhì)量的優(yōu)良。此性能可通過躍階振蕩來表征。先小形變（G’>G”），后大形變（G’<G”），再恢復(fù)到小形變，并且循環(huán)多次，如圖4。實驗結(jié)束后，模量恢復(fù)的多少可表征樣品的結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力。

圖4、Gel 1的結(jié)構(gòu)破壞和恢復(fù)（點擊查看大圖）