82
MÛANYAG- ÉS GUMIIPARI ÉVKÖNYV 2015
legrövidebb láncszakaszok elszakadnak, és a mak-
roszkopikusan megjelenő repedés könnyen vé-
gigterjed a gél teljes keresztmetszetében. Ezeket
a hidrogéleket törékenynek, ridegnek nevezzük.
Az elasztomerekkel összehasonlítva egy duzzadt
hidrogélben a térhálópontok közötti láncszaka-
szok alakja korántsem statisztikus gombolyag,
a jelentős mértékű vízfelvételnek köszönhetően
(akár az össztömeg 99%-a is víz) a polimer láncok
nagymértékben feszítettek. A nagy folyadéktarta-
lom eredményeképpen a polimer- és a térhálópont
koncentráció is kicsi. Ennek következtében a duz-
zadt polimer géleknek mind a szakadási nyúlá-
sa, mind a modulusa lényegesen kisebb, mint az
elasztomereké.
Az elmúlt két évtizedben számos olyan polimer
hidrogélt állítottak elő, ahol a hidrogélek speci-
ális szerkezetüknek köszönhetően szívós visel-
kedést mutattak. A legfontosabb szívós hidrogél
típusokat az 1. ábrán foglaltuk össze. Az egyedi
térhálós szerkezetük szerint a szívós hidrogéleket
az alábbi csoportokba szokás sorolni [5]: slide-
ring hidrogélek [6, 7], tetra-PEG hidrogélek
[8, 9], double-network hidrogélek [10,11], hib-
rid hidrogélek [12-14], valamint nanokompozit
hidrogélek [15-20]. Látni fogjuk, hogy a kutatók
eltérő stratégiákat választottak céljuk elérésére,
a mechanikai tulajdonságok javítására. Alapvető
fontosságú annak megértése, hogy az előállított
szerkezetek hogyan határozzák meg a felsorolt
hidrogélek mechanikai tulajdonságait.
A polimer hidrogélek mechanikai tulajdonsá-
gainak jellemzése
Amikor a polimer hidrogélek mechanikai tulaj-
donságait tanulmányozzuk, fontos tudnunk, hogy
vajon a gél csak deformálódik vagy összetörik az
alkalmazott erő hatására. Az anyagok mechanikai
jellemzésére a szakítási tesztek a gyakoribbak,
azonban a hidrogéleknél, köszönhetően törékeny-
ségüknek, sok esetben csak kompressziós mérések
kivitelezhetőek. Mivel a mért értékek nagymér-
tékben függenek a mérési elrendezéstől és geo-
metriától, ezért az erő helyett a nominális feszült-
séget – , a mindenkori erő (F) és a kiindulási
keresztmetszet (A
s
) hányadosát – és a deformáció
helyett a relatív méretváltozást ( ) vagy a defor-
máció arányt ( ) használjuk –
, ahol L
a mindenkori hossz és a kiindulási méret –. A
feszültség-deformáció görbék sokszor összetettek,
általában négy jellemző mennyiséget határozunk
meg a hidrogélek jellemzésére, ezek a Young mo-
dulus ( ), a szakítószilárdság ( ), szakadási nyú-
lás ( ) és a szakítási munka ( ) (2. a ábra). Ösz-
szenyomáskor szilárdságot és törési deformációt
határoznak meg az irodalomban.
Az anyagok kismértékű deformációval szembeni
ellenállását a Young modulus-szal jellemezzük.
A modulust a feszültség-deformáció görbe kez-
deti, lineáris szakaszának meredekségéből szá-
mítjuk. Elasztomereknél ez az érték nagyságren-
dileg 1-100 MPa, míg a nagy folyadéktartalmú,
duzzadt géleknél 10 és 100 kPa között változik
1. ábra: A szívós hidrogélek sematikus szerkezete és első
megjelenésük az irodalomban
2. ábra: a) Egy szívós hidrogél tipikus feszültség-deformá-
ció diagramja, a görbe alapján számítható a Young
modulus ( ), a tönkremenetelhez szükséges szakítási mun-
ka ( ), valamint leolvasható a szakítószilárdság ( ) és
a szakadási nyúlás ( ); b) a próbatest alakja a repedési
energia meghatározása során [5]
