Механика полимерных гелей

 Е.Я. Денисюк (Пермь)

Химически сшитые полимерные гели и эластомеры способны поглощать низкомолекулярные жидкости, многократно увеличиваясь в объеме. При этом они сохраняют свою форму и способность к большим упругим деформациям. Внешняя механическая нагрузка, приложенная к набухшему гелю, может вызвать значительные объемные деформации, которые возникают в результате перераспределения растворителя в объеме материала или между материалом и жидкой фазой.

Данная работа посвящена теоретическому описанию термодинамически равновесных состояний полимерных гелей, находящихся в контакте с растворителем и подвергнутых произвольной механической нагрузке. Предложена общая система уравнений и определяющих соотношений, которая описывает такие состояния при больших и малых деформациях полимерной матрицы. Показано, что проблема описания термодинамически равновесного состояния полимерного геля может быть сформулирована как задача механического равновесия для сжимаемого упругого материала. Роль тензора напряжений в ней играет осмотический тензор напряжений, в котором содержится вся информация о равновесных термодинамических и упругих свойствах системы “гель – растворитель”. Получены явные выражения для осмотического тензора напряжений, основанные на различных моделях высокоэластичности – классической теории, теории Муни–Ривлина, Флори–Эрмана, Доя и Эдвардса.

Характерные свойства и поведение полимерных гелей продемонстрированы на модельных задачах, описывающих равновесные процессы их деформирования в среде растворителя при простых видах нагружения (одноосном и двухосном растяжении, сжатии, сдвиге, кручении). Изучена упругая реакция и равновесная степень набухания материала в этих условиях. В частности показано, что растяжение геля в растворителе сопровождается дополнительным поглощением жидкости, в результате чего образец испытывает значительные объемные деформации. Однако при достаточно больших деформациях, при которых сказывается конечность длины цепей полимерной сетки, происходит обратный процесс – “выдавливание” растворителя из образца и уменьшение его объемных деформаций с увеличением степени растяжения. Рассмотрена возможность определения физико-химических свойств полимерных гелей по экспериментальным данным, характеризующим упругое поведение образца при его деформировании в среде растворителя.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 02–03–32845).