1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Известия РАН. Механика твердого тела
  4. № 4, 2022

Известия РАН. Механика твердого тела, 2022, № 4, стр. 3-24

РАВНОВЕСИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ГЕЛЕЙ В ПОЛЕ МАССОВЫХ СИЛ

Е. Я. Денисюк a, *

a Институт механики сплошных сред Уральского отделения РАН
Пермь, Россия

* E-mail: denisyuk@icmm.ru

Поступила в редакцию 26.06.2021
После доработки 13.08.2021
Принята к публикации 13.08.2021

Аннотация

На основе вариационного подхода сформулированы краевые задачи, описывающие состояние термодинамического равновесия полимерных гелей, находящихся в поле массовых сил. Полимерный гель рассматривается как смесь, представляющая собой упругий материал и растворенную в нем жидкость (растворитель). Общая теория применена для изучения деформационного поведения полимерных гелей и пластифицированных полимерных материалов в поле силы тяжести. В рамках модельной задачи, описывающей состояние равновесия геля в форме плоского слоя, установлены условия, при которых растворитель или пластификатор способен под действием силы тяжести выделяться из полимера. В частности, получены соотношения, позволяющие оценить критические значения параметров, при которых происходит выделение растворителя, а также рассчитать количество выделившейся из материала жидкости.

Ключевые слова: полимерные гели, набухание, конечные деформации, термодинамическое равновесие, химический потенциал, осмотический тензор напряжений

Список литературы

  1. Bashir S. et al. Fundamental concepts of hydrogels: synthesis, properties, and their applications // Polymers. 2020. V. 12. 2702. https://doi.org/10.3390/polym12112702

  2. Валуев Л.И., Валуева Т.А., Валуев И.Л., Платэ Н.А. Полимерные системы для контролируемого выделения биологически активных соединений // Успехи биол. хим. 2003. Т. 43. С. 307–328.

  3. Buengera D., Topuza F., Groll J. Hydrogels in sensing applications // Prog. Polym. Sci. 2012. V. 37. № 12. P. 1678–1719. https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2012.09.001

  4. Calvert P. Hydrogels for soft machines // Adv. Mater. 2009. V. 21. № 7. P. 743–756. https://doi.org/10.1002/adma.200800534

  5. Chyzy A., Tomczykowa M., Plonska-Brzezinska M.E. Hydrogels as potential nano-, micro- and macroscale systems for controlled drug delivery // Materials. 2020. V. 13. № 1. P. 188. https://doi.org/10.3390/ma13010188

  6. Chai Q., Jiao Y., Yu X. Hydrogels for biomedical applications: their characteristics and the mechanisms behind them // Gels. 2017. V. 3. № 1. P. 6. https://doi.org/10.3390/gels3010006

  7. Deligkaris K., Tadele T.S., Olthuis W., Berg A. Hydrogel-based devices for biomedical applications // Sensor Actuat. B. 2010. V. 147. № 2. P. 765–774. https://doi.org/10.1016/j.snb.2010.03.083

  8. Ding M. et al. Multifunctional soft machines based on stimuli-responsive hydrogels: from freestanding hydrogels to smart integrated systems // Mater. Today Adv. 2020. V. 8. P. 100088.

  9. Hlavac N., Kasper M., Schmidt C.E. Progress towardfinding the perfect match: hydrogels for treatment of central nervous system injury // Mater. Today Adv. 2020. V. 6. P. 100039. https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2020.100088

  10. Hoare T.R., Kohane D.S. Hydrogels in drug delivery: Progress and challenges // Polymer. 2008. V. 49. № 8. P. 1993–2007. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2008.01.027

  11. Kopecek J. Hydrogels: from soft contact lenses and implants to self-assembled nanomaterials // J. Polym. Sci. A Polym. Chem. 2009. V. 47. P. 5929–5946. https://doi.org/10.1002/pola.23607

  12. Kordea J.M., Kandasubramaniana B. Naturally biomimicked smart shape memory hydrogels for biomedical functions // Chem. Eng. J. 2020. V. 379. P. 122430. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122430

  13. Lee K.Y., Mooney D.J. Hydrogels for tissue engineering // Chem. Rev. 2001. V. 101. № 7. P. 1869–1880. https://doi.org/10.1021/cr000108x

  14. Liu X., Liu J., Lin S., Zhao X. Hydrogel machines // Mater. Today. 2020. V. 36. № 6. P. 102–124. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2019.12.026

  15. Nishino M., Gong J., Osada Y. Polymer gels as a chemical valve // Bioseparation. 1999. V. 7. P. 269–280. https://doi.org/10.1023/A:1008049525761

  16. Oveissi F., Fletcher D.F., Dehghani F., Naficy S. Tough hydrogels for soft artificial muscles // Mater. Design. 2021. V. 203. P. 109609.

  17. Peppas N.A., Hilt J.Z., Khademhosseini A., Langer R. Hydrogels in biology and medicine: from molecular principles to bionanotechnology // Adv. Mater. 2006. V. 18. № 11. P. 1345–1360. https://doi.org/10.1002/adma.200501612

  18. Mora S., Phou T., Fromental J.-M., Pomeau Y. Gravity driven instability in elastic solid layers // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. P. 178301. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.178301

  19. Riccobelli D., Ciarletta P. Rayleigh–Taylor instability in soft elastic layers // Phil. Trans. R. Soc. A. 2017. V. 375. № 2039. P. 20160421. https://doi.org/10.1098/rsta.2016.0421

  20. Chakrabarti A., Mora S., Richard F., Phou T., Fromental J.-M., Pomeau Y., Audoly B. Selection of hexagonal buckling patterns by the elastic Rayleigh–Taylor instability // J. Mech. Phys. Solids. 2018. V. 121. P. 234–257. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2018.07.024

  21. Zheng Y., Lai Y., Hu Y., Cai S. Rayleigh–Taylor instability in a confined elastic soft cylinder // J. Mech. Phys. Solids. 2019. V. 131. P. 221–229. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2019.07.006

  22. Rajagopal K.R., Tao L. Mechanics of mixtures. World Scientific Publishing, 1995. 195 p.

  23. Truesdell C., Toupin R. The classical field theories // Handbuch der Phisik. Vol. III/l / Ed. S. Flugge. Berlin: Springer-Verlag, 1960. P. 226–793.

  24. Денисюк Е.Я., Терешатов В.В. Теория механодиффузионных процессов переноса многокомпонентных жидкостей в сшитых эластомерах // ПМТФ. 1997. Т. 38. № 6. С. 113–129.

  25. Денисюк Е.Я., Терешатов В.В. Нелинейная теория процессов набухания эластомеров в низкомолекулярных жидкостях // Высокомолек. соед. А. 2000. Т. 42. № 1. С. 71–83.

  26. Денисюк Е.Я., Волкова Е.Р. Влияние термодинамического качества растворителя на кинетику набухания полимерных сеток // Высокомолек. соед. А. 2003. Т. 45. № 7. С. 1160–1168.

  27. Денисюк Е.Я., Волкова Е.Р. О проницаемости полимерных сеток // Высокомолек. соед. А. 2004. Т. 46. № 5. С. 896–904.

  28. Денисюк Е.Я. Механика и термодинамика высокоэластичных материалов, насыщенных жидкостью // Изв. РАН. МТТ. 2010. № 1. С. 118–138.

  29. Денисюк Е.Я. Механика и термодинамика деформирования насыщенных жидкостью упругих материалов в приближении малых деформаций // Изв. РАН. МТТ. 2018. № 2. С. 54–69.

  30. Ciarlet P. Mathematical Elasticity. Vol. I. Amsterdam: Elsevier, 1988. = Сьярле Ф. Математическая теория упругости. М.: Мир, 1992. 472 с.

  31. Лурье А.И. Нелинейная теория упругости. М.: Наука, 1980. 512 с.

  32. Prigogine I., Defay R. Chemical Thermodynamics. N.Y.: Longmans Green and Co, 1954. = Пригожин И., Дефэй Р. Химическая термодинамика. Новосибирск: Наука, 1966. 508 с.

  33. Flory P.J., Rehner J. Statistical mechanics of cross-linked polymer networks // J. Chem. Phys. 1943. V. 11. P. 512–526. https://doi.org/10.1063/1.1723791

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Известия РАН. Механика твердого тела

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал