Ιν ρεχεντ ψεαρσ, στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ηαϖε αττραχτεδ µυχη αττεντιον φορ τηειρ ποτεν−τιαλ ιν α ωιδε αρραψ οφ διϖερσε αππλιχατιονσ, ιν παρτιχυλαρ ιν βιοµεδιχαλ ανδ βιοτεχηνιχαλ ελδ.
Trang 12011
Trang 2Φιρστ οφ αλλ, Ι ωουλδ λικε το εξπρεσσ µψ σινχερε γρατιτυδε το µψ συπερϖισορ, Προφ Αρυν Σ.Μυϕυµδαρ, φορ ηισ γυιδανχε, µοτιϖατιον, ενλιγητενµεντ ανδ φεεδβαχκ περταινινγ το τηισ ρε−σεαρχη Ηε ισ ρεαλλψ νιχε, ωισε ανδ σµαρτ µεντορ ∆εσπιτε ηισ ηεχτιχ αχτιϖιτψ ασ σχιεντιστ,ενγινεερ ανδ αρτιστ ηισ παιντινγ ισ ρεαλλψ βεαυτιφυλ ανδ ινσπιρινγ , ηε αλωαψσ σπαρεσ ηιστιµε φορ ηισ στυδεντ Ιτ ισ τρυλψ αν ηονορ φορ µε το βε ηισ στυδεντ
Ι ωουλδ αλσο λικε το εξπρεσσ µψ προφουνδ γρατιτυδε το µψ χο−αδϖισορ, Ασσισταντ ΠροφεσσορΕρικ Βιργερσσον, φορ ηισ ϖερψ ϖαλυαβλε φεεδβαχκ ανδ συγγεστιον, ανδ ηισ πατιεντ γυιδανχεδυρινγ ρεσεαρχη ανδ πυβλιχατιον ωορκ Ηε ωασ τηε ονε ωηο ιντροδυχεδ µε το τηε ριγορουσµατηεµατιχαλ δεριϖατιον, σχαλινγ ανδ χοµπυτατιοναλ αναλψσισ
Ι αµ ινδεβτεδ το α νυµβερ οφ µψ χολλεαγυεσ ανδ φριενδσ − Φελλοω Ινδονεσιαν στυδεντσ, Προφ.Μυϕυµδαρσ τρανσπορτ προχεσσ ρεσεαρχη γρουπ, Ασστ Προφ Βιργερσσονσ ρεσεαρχη γρουπ ανδΦελλοω στυδεντσ ιν Ενεργψ Χονϖερσιον Λαβ − φορ τηε φρυιτφυλ δισχυσσιονσ, ηελπφυλ συγγεστιον,µεανινγφυλ αδϖισεσ, ανδ αλσο το τηε αχαδεµιχ, τεχηνιχαλ ανδ σεχρεταριαλ στα⁄σ οφ τηε ΝατιοναλΥνιϖερσιτψ οφ Σινγαπορε φορ τηειρ χοντινυουσ συππορτ ανδ ενχουραγεµεντ Ι ωουλδ λικε τογιϖε α σπεχιαλ τηανκσ το τηε υνδεργραδυατε στυδεντσ τηατ ηαϖε βεεν παρτ οφ τηε ονγοινγηψδρογελσ ρεσεαρχη ιν ∆επαρτµεντ οφ Μεχηανιχαλ Ενγινεερινγ ανδ ∆επαρτµεντ οφ Χηεµιχαλανδ Βιοµολεχυλαρ Ενγινεερινγ
Ι ωουλδ λικε το εξπρεσσ µψ λοϖε ανδ αππρεχιατιον το µψ ωιφε, Νυρ Ηιδαψαη, φορ ηερ χοντινυεδλοϖε, συππορτ, πατιενχε ανδ υνδερστανδινγ τηρουγηουτ τηε ψεαρ οφ µαρριαγε, παρτιχυλαρλψ,δυρινγ τηε τιµε τηατ Ι ωασ ωριτινγ τηε τηεσισ Φιναλλψ, Ι δεδιχατε τηισ τηεσισ το µψ παρεντσ,ωιτηουτ ωηοµ Ι ωουλδ νοτ βε ωηερε Ι αµ τοδαψ
Τηε νανχιαλ συππορτ οφ τηε Νατιοναλ Υνιϖερσιτψ οφ Σινγαπορε (ΝΥΣ) ανδ τηε ΑΣΕΑΝ Υνιϖερ−σιτψ Νετωορκ/Σουτη−Εαστ Ασια Ενγινεερινγ Εδυχατιον ∆εϖελοπµεντ−Νετωορκ (ΑΥΝ/ΣΕΕ∆−Νετ) ισ γρατεφυλλψ αχκνοωλεδγεδ
Trang 31.1 Οϖερϖιεω οφ γελσ ανδ τηειρ αππλιχατιον 2
1.1.1 Στρυχτυρε οφ γελσ 2
1.1.2 Χλασσι χατιον οφ γελσ 4
1.1.3 Στιµυλι σενσιτιϖε ηψδρογελσ 4
1.1.4 Αππλιχατιον οφ ηψδρογελσ 10
1.2 Ματηεµατιχαλ µοδελινγ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ 14
1.3 Οβϕεχτιϖεσ 16
1.3.1 Φυνδαµενταλ ρεσεαρχη 16
1.3.2 Αππλιεδ ρεσεαρχη 16
1.4 Ουτλινε οφ τηε τηεσισ 17
2 Λιτερατυρε ρεϖιεω 18 2.1 Εθυιλιβριυµ σωελλινγ 18
2.2 ∆εφορµατιον κινετιχσ 27
2.3 Αππλιχατιον οφ ηψδρογελσ ιν µιχρουιδιχσ 33
3 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 37 3.1 Γοϖερνινγ εθυατιονσ 39
3.2 Χονστιτυτιϖε ρελατιονσ 40
3.3 Ινιτιαλ ανδ βουνδαρψ χονδιτιονσ 45
Trang 43.4 Νυµεριχαλ µετηοδολογψ 46
3.4.1 Ματλαβ 47
3.4.2 Χοµσολ Μυλτιπηψσιχσ 48
3.4.3 Φινιτε ελεµεντ µετηοδ 50
3.4.4 Μεση ινδεπενδενχε στυδψ 55
4 Τεµπερατυρε σενσιτιϖε ηψδρογελσ 57 4.1 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 60
4.2 Αναλψσισ 60
4.3 Ρεσυλτσ ανδ ∆ισχυσσιον 65
4.3.1 Τεµπερατυρε δεπενδενχε οφ εθυιλιβριυµ σωελλινγ χυρϖεσ 65
4.3.2 Ινυενχε οφ δεγρεε οφ πολψµεριζατιον ανδ ινιτιαλ πολψµερ ϖολυµε φραχτιον 67 4.3.3 Ινυενχε οφ χηανγε ιν εντηαλπψ ανδ χηανγε ιν εντροπψ 68
4.3.4 ∆εφορµατιον κινετιχσ 70
4.3.5 Ριγιδ σκιν φορµατιον 72
5 πΗ σενσιτιϖε ηψδρογελσ 78 5.1 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 80
5.2 Αναλψσισ 81
5.3 Ρεσυλτσ ανδ ∆ισχυσσιον 86
5.3.1 πΗ δεπενδενχε οφ εθυιλιβριυµ δεγρεε οφ σωελλινγ 86
5.3.2 Ινυενχε οφ ινιτιαλ ξεδ χηαργε δενσιτψ ανδ σολυτιον ιονιχ στρενγτη 89
5.3.3 Ινυενχε οφ Ποισσον ρατιο ανδ Ψουνγσ µοδυλυσ 90
5.3.4 Ινυενχε οφ αχιδ δισσοχιατιον χονσταντ ανδ τεµπερατυρε 91
5.3.5 ∆εφορµατιον κινετιχσ 92
5.3.6 Ινυενχε οφ ηψδρογελσ σιζε 93
5.3.7 Ινυενχε οφ περµεαβιλιτψ 94
Trang 56 Χουπλεδ αλχοηολ ανδ τεµπερατυρε σενσιτιϖε ηψδρογελσ 97
6.1 Ματηεµατιχαλ µοδελ 99
6.2 Αναλψσισ 100
6.2.1 Πυρε διλατατιον οφ ηψδρογελσ 100
6.2.2 Ηψδρογελ ιν α ωατερ−µετηανολ σολυτιον 103
6.2.3 Ηψδρογελ ιν α ωατερ−ετηανολ σολυτιον 113
7 Φαστ−ρεσπονσε τεµπερατυρε σενσιτιϖε ηψδρογελσ 116 7.1 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 118
7.2 Αναλψσισ 119
7.2.1 Σχαλινγ αναλψσισ 119
7.2.2 Λαγρανγιαν φορµυλατιον 120
7.3 Ρεσυλτσ & ∆ισχυσσιον 122
7.3.1 Εθυιλιβριυµ σωελλινγ 122
7.3.2 ∆εφορµατιον κινετιχσ 123
7.3.3 ςαριουσ γεοµετριεσ οφ τεµπερατυρε σενσιτιϖε ηψδρογελσ 127
8 Ηψδρογελσ φορ Μιχρουιδιχ Φλοω Χοντρολσ 133 8.1 Ματηεµατιχαλ φορµυλατιον 134
8.2 Αναλψσισ 137
8.3 Ρεσυλτσ ανδ δισχυσσιονσ 139
8.3.1 ςαλιδατιον οφ τηε ηψδρογελ µοδελ 139
8.3.2 Φλοω βεηαϖιορ ινσιδε α Τ−ϕυνχτιον ωιτη ονε ορ σεϖεραλ ηψδρογελσ ιν ονε βρανχη 139
8.3.3 Φλοω βεηαϖιορ ινσιδε α Τ−ϕυνχτιον ωιτη α ηψδρογελ ιν εαχη βρανχη 145
9 Χονχλυδινγ ρεµαρκσ 149 9.1 Συµµαρψ ανδ Χονχλυσιονσ 149
9.2 Ρεχοµµενδατιονσ φορ Φυτυρε Ωορκ 151
Trang 6Ιν ρεχεντ ψεαρσ, στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ηαϖε αττραχτεδ µυχη αττεντιον φορ τηειρ ποτεν−τιαλ ιν α ωιδε αρραψ οφ διϖερσε αππλιχατιονσ, ιν παρτιχυλαρ ιν βιοµεδιχαλ ανδ βιοτεχηνιχαλ ελδ.Φορ τηεσε αππλιχατιονσ, αν υνδερστανδινγ οφ τηε δεφορµατιον κινετιχσ ανδ σωελλινγ εθυιλιβριυµ
οφ ηψδρογελσ ισ ιµπορταντ ωηεν δεσιγνινγ τηε οϖεραλλ σψστεµ Ιν τανδεµ το εξπεριµενταλ δε−σιγν ανδ σψντηεσισ οφ ηψδρογελσ, χοµπυτατιοναλ στυδιεσ ηαϖε χοµε το πλαψ αν ιµπορταντ ρολε
ιν ελυχιδατινγ βασιχ µεχηανισµσ οφ δεφορµατιον οφ στιµυλι−σενσιτιϖε γελσ ωηιχη αρε γενεραλλψδι′χυλτ το θυαντιφψ εξπεριµενταλλψ
Τηισ ρεσεαρχη αδδρεσσεσ τηε τρανσπορτ πηενοµενα ανδ δεφορµατιον βεηαϖιορ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ωιτη τωο µαιν οβϕεχτιϖεσ: τηε ρστ ινϖολϖεσ τηε στυδψ οφ τηε φυνδαµενταλπηψσιχσ ανδ χηεµιστρψ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ανδ τηε ασσοχιατεδ τρανσπορτ προχεσσδυρινγ σωελλινγ ανδ σηρινκινγ; τηε σεχονδ οβϕεχτιϖε χονχερνσ τηε αππλιχατιον οφ ηψδρογελ ινµιχρουιδιχσ ελδ ασ αυτονοµουσ µιχροϖαλϖε
Α µατηεµατιχαλ φραµεωορκ µοδελ φορ δεφορµατιον οφ ηψδρογελσ χοµπρισινγ χονσερϖατιον
οφ µασσ, µοµεντυµ, ενεργψ ανδ σπεχιεσ ηασ βεεν δεριϖεδ, αναλψζεδ ανδ ϖαλιδατεδ αγαινστεξπεριµενταλ εθυιλιβριυµ σωελλινγ ανδ δεφορµατιον κινετιχσ Σχαλινγ αναλψσισ ισ χαρριεδ ουτ
το ασσιστ τηε ιντερπρετατιον οφ τηε νυµεριχαλ ρεσυλτσ ανδ το δετερµινε τηε ρελατιϖε ιµπορ−τανχε οφ τηε µεχηανισµσ φορ τηε µοµεντυµ τρανσφερ δυε το δεφορµατιον οφ τηε ηψδρογελ ανδχονϖεχτιον οφ τηε σολϖεντ ασ ωελλ ασ µασσ ανδ σπεχιεσ τρανσφερ πριορ το νυµεριχαλ χοµπυτατιον
Τηρεε στιµυλι τεµπερατυρε, πΗ ανδ χουπλεδ αλχοηολ/τεµπερατυρε αρε στυδιεδ Φορχουπλεδ αλχοηολ/τεµπερατυρε στιµυλι, α νεω πολψµερ−σολϖεντ ιντεραχτιον παραµετερ ισ προ−ποσεδ το χαπτυρε τηε δεφορµατιον οφ ηψδρογελ δυε το χηανγεσ ιν τηε εξτερναλ αλχοηολ χοντεντανδ τεµπερατυρε Ιτ ισ φουνδ τηατ δεφορµατιον βεηαϖιορ οφ ηψδρογελ ισ σιγνι χαντλψ ινυενχεδ
Trang 7βψ τηε βατηινγ ενϖιρονµεντ ανδ πηψσιχαλ ανδ χηεµιχαλ νατυρε οφ τηε ηψδρογελ Παραµετριχστυδιεσ ηαϖε τηερεφορε βεεν χαρριεδ ουτ το στυδψ τηε ε⁄εχτ οφ ϖαριουσ φαχτορσ το τηε δεφορ−µατιον βεηαϖιορ οφ ηψδρογελσ; σοµε οφ τηεσε φαχτορσ αρε ιονιχ στρενγτη, µονοµερσ ϖολυµε,δεγρεε οφ πολψµεριζατιον, ξεδ χηαργε δενσιτψ ανδ Ποισσον ρατιο.
Τηε µατηεµατιχαλ µοδελ ισ τηεν εξτενδεδ το στυδψ τηε αππλιχατιον οφ στιµυλι−σενσιτιϖεηψδρογελσ ιν µιχρουιδιχσ ελδ ασ αυτονοµουσ µιχροϖαλϖε Σεϖεραλ µιχρουιδιχσ χηαννελχον γυρατιονσ ηαϖε βεεν στυδιεδ, ε.γ α Τ−ϕυνχτιον ωιτη ηψδρογελσ ιν ονε βρανχη ανδ α Τ−ϕυνχτιον ωιτη ηψδρογελσ ιν εαχη βρανχη; τηε λαττερ ηασ τωο ηψδρογελσ ωιτη οπποσιτε βεηαϖιορ.Οϖεραλλ, τηε µοδελ ισ αβλε το προϖιδε αν ινσιγητ ιντο τηε σενσινγ ανδ αχτυατινγ βεηαϖιορ
οφ α στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελ τηατ ισ εµβεδδεδ ιν α µιχροχηαννελ Τηε ρεσυλτ ινδιχατεστηατ τηε ρεσπονσε ρατε οφ τηε ηψδρογελ ισ σλοω, ωηιχη χουλδ δεφεατ τηε οω χοντρολ πυρποσεσ
Βψ υτιλιζινγ σχαλινγ αναλψσισ, σεϖεραλ ιµπορταντ φαχτορσ ωηιχη δετερµινε ρεσπονσε ρατε οφηψδρογελσ αρε ιδεντι εδ Βασεδ ον τηισ νδινγ, σεϖεραλ στρατεγιεσ το ιµπροϖε τηε ρεσπονσερατε οφ τηε ηψδρογελσ αρε δεµονστρατεδ Ιτ ισ φουνδ τηατ τηε ρεσπονσε ρατε ισ ιµπροϖεδ ιν λινεωιτη τηε σχαλινγ αναλψσισ πρεδιχτιον
Trang 8Τηισ τηεσισ πρεσεντσ τηε στυδψ ον τηε µοδελινγ οφ τρανσπορτ πηενοµενα ανδ δεφορµατιονβεηαϖιορ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ Τηε φολλοωινγ πυβλιχατιονσ αρε βασεδ ον ρεσεαρχηχαρριεδ ουτ φορ τηισ δοχτοραλ τηεσισ
Ε−βοοκ χηαπτερ:
1 ϑ Χ Κυρνια, Ε Βιργερσσον, ανδ Α Σ Μυϕυµδαρ, 2009, Ηεατ ανδ µασσ τρανσφερ ινγελσ, ιν Ματηεµατιχαλ Μοδελινγ οφ Ινδυστριαλ Τρανσφερ Προχεσσ, εδιτεδ βψ Ξυ Πενγ, ΩυΖηονγηυα, Α Σ Μυϕυµδαρ., ππ 57−68, ΤΠΡ Γρουπ, Σινγαπορε ΙΣΒΝ: 978−981−08−6269−5 (αϖαιλαβλε ονλινε ατ: ηττπ://σερϖε.µε.νυσ.εδυ.σγ/αρυν/)
ϑουρναλσ:
1 ϑ Χ Κυρνια, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, 2012, Φινιτε δεφορµατιον οφ φαστ−ρεσπονσετηερµο−σενσιτιϖε ηψδρογελσ − Α χοµπυτατιοναλ στυδψ, (Συβµιττεδ το Πολψµερ−υνδερ ρε−ϖιεω)
2 ϑ Χ Κυρνια, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, 2012, Α Πηενοµενολογιχαλ Μοδελ οφΗψδρογελσ ωιτη Ριγιδ Σκιν Φορµατιον, Ιντερνατιοναλ ϑουρναλ οφ Αππλιεδ Μεχηανισ ινπρεσσ [δοι:10.1142/Σ1758825112001361 ]
3 ϑ Χ Κυρνια, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, 2012, Αναλψσισ οφ α µοδελ φορ πΗ−σενσιτιϖεηψδρογελσ, Πολψµερ ςολ 53 (2), ππ 613−22 [δοι:10.1016/ϕ.πολψµερ.2011.11.054]
4 ϑ Χ Κυρνια, Ε Βιργερσσον, Α Σ Μυϕυµδαρ, 2011, Χοµπυτατιοναλ Στυδψ οφ πΗ−σενσιτιϖε Ηψδρογελ−βασεδ Μιχρουιδιχ Φλοω Χοντρολλερσ, ϑουρναλ οφ Φυνχτιοναλ Βιοµα−τεριαλσ, ςολ 2 (3), ππ 195−212 [δοι:10.3390/ϕφβ2030195]
Trang 10Λιστ οφ Ταβλεσ
2.1 Ματηεµατιχαλ µοδελ οφ εθυιλιβριυµ σωελλινγ οφ ηψδρογελσ 192.2 Ματηεµατιχαλ µοδελ οφ δεφορµατιον κινετιχσ οφ ηψδρογελσ 283.1 Πηψσιχαλ προπερτιεσ ανδ παραµετερσ 443.2 Μεση ινδεπενδενχε στυδψ οφ τρανσιεντ τηρεε−διµενσιοναλ µοδελ φορ φαστ ρε−σπονσε ηψδρογελσ 554.1 Πηψσιχαλ προπερτιεσ ανδ παραµετερσ οφ πολψ(Ν−ισοπροπψλαχρψλαµιδε) (ΠΝΙΠΑ)ηψδρογελσ 655.1 Πηψσιχαλ προπερτιεσ ανδ παραµετερσ οφ πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελ 876.1 Πηψσιχαλ προπερτιεσ ανδ παραµετερσ οφ χουπλεδ αλχοηολ ανδ τεµπερατυρε σεν−σιτιϖε ηψδρογελσ 1026.2 Αλχοηολ σολϖεντ παραµετερσ 1087.1 Πηψσιχαλ προπερτιεσ ανδ παραµετερσ οφ ΠςΑ/ΠΝΙΠΑ σεµι−ΙΠΝ ανδ µαχροπ−ορουσ ΠΝΙΠΑ ηψδρογελσ 1197.2 Γεοµετριχ προπερτιεσ οφ χψλινδριχαλ ροδ, χψλινδριχαλ δισχ, σπηεριχαλ ανδ χυβεΠ22 ηψδρογελ 1288.1 Οπερατινγ ανδ γεοµετρψ παραµετερσ 138
Trang 11Λιστ οφ Φιγυρεσ
1.1 Σχηεµατιχ ρεπρεσεντατιον οφ γελ στρυχτυρε 31.2 Σχηεµατιχ οφ τηε σωελλινγ ανδ σηρινκινγ προχεσσ οφ γελσ Τηε πολψµερ νετωορκπροϖιδε αν ελαστιχ φορχε τηατ ηελπσ το ρεταιν τηε σολιδιτψ οφ τηε γελ 33.1 Σχηεµατιχσ οφ αν αρβιτραρψ ηψδρογελσ τηατ εξπεριενχεσ σωελλινγ δυε το χηανγεσ
ιν τεµπερατυρε, αλχοηολ χονχεντρατιον, ιονιχ στρενγτη ανδ ελεχτριχ ελδ ιν τηεσυρρουνδινγ σολυτιον 463.2 Πιεχεωισε αππροξιµατιον οφ: α) χοµπλεξ φυνχτιον ανδ β) χιρχυµφερενχε οφ αχιρχλε 503.3 Φινιτε ελεµεντ δισχρετιζατιον: α) Α τωο διµενσιοναλ δοµαιν ισ ρεπρεσεντεδ βψβ) α χολλεχτιον οφ τριανγλεσ ωηιχη φορµσ δισχρετιζεδ δοµαιν 513.4 Βασιχ σηαπεσ οφ νιτε ελεµεντ ιν: α) ονε−διµενσιοναλ, β) τωο−διµενσιοναλ ανδχ) τηρεε−διµενσιοναλ προβλεµ 514.1 Σχηεµατιχ οφ α) α σπηεριχαλ ηψδρογελ ατ τηε πολψµεριζατιον σταγε ανδ ατ εθυιλιβ−ριυµ ωηιλστ ιµµερσεδ ιν λιθυιδ ωατερ ανδ β) αν εθυατοριαλ πλανε (0 < ρ < ΡΛ,
0 < < 2) οφ τηε σπηεριχαλ ηψδρογελ οϖερ ωηιχη δεφορµατιον κινετιχσ ωιλλ βεοβσερϖεδ 594.2 Τεµπερατυρε δεπενδενχε οφ εθυιλιβριυµ δεγρεε οφ σωελλινγ οφ σπηεριχαλ ΠΝΙΠΑηψδρογελ: () ΠΝΙΠΑ [142],( ) µοδελ πρεδιχτιονσ 664.3 Εθυιλιβριυµ σωελλινγ χυρϖεσ α) φορ ϖαριουσ δεγρεε οφ πολψµεριζατιον ανδ β) φορϖαριουσ ινιτιαλ πολψµερ ϖολυµε φραχτιονσ 68
Trang 124.4 Εθυιλιβριυµ σωελλινγ χυρϖεσ α) φορ ϖαριουσ χηανγε ιν εντηαλπψ ανδ β) φορ ϖαριουσχηανγε ιν εντροπψ 694.5 ∆εφορµατιον κινετιχσ οφ σπηεριχαλ πολψ(Ν−ισοπροπψλαχρψλαµιδε) ηψδρογελσ: (Η)εξπεριµεντσ [142]; () µοδελ πρεδιχτιονσ; ( ) µοδι εδ µοδελ πρεδιχτιονσ 714.6 Περµεαβιλιτψ, , () ανδ περµεαβιλιτψ χονσταντ, 0, ( ) ατ ινχρεασινγ πολψ−µερ ϖολυµε φραχτιον 734.7 Σηρινκινγ ανδ σωελλινγ προχεσσ α) φροµ 10
Χ το 30
Χ, β) φροµ 30
Χ το 10
Χ,χ) φροµ 10
Χ το 36
Χ 744.8 α) Σηρινκινγ ανδ β) σωελλινγ κινετιχσ οφ σπηεριχαλ ηψδρογελ ατ τηε φολλοωινγχριτιχαλ πολψµερ ϖολυµε φραχτιον: () 0.3, ( ) 0.4, ( ) 0.5 ανδ ( ) 0.6 754.9 α) Σηρινκινγ ανδ β) σωελλινγ κινετιχσ οφ σπηεριχαλ ηψδρογελ ατ τηε φολλοωινγριγιδ σκιν περµεαβιλιτψ: () 5 10 21 µ2, (−) 1 10 21 µ2, ( ) 5 10 22
µ2 ανδ ( ) 1 10 22 µ2 765.1 Ηψδρογελ πλαχεδ ιν α χηαννελ συβϕεχτ το τηε αλτερατιον οφ τηε σολυτιον πΗ Τηεαξιαλ δεφορµατιον ισ ρεστραινεδ βψ τηε χηαννελ ωαλλ 795.2 ∆ιαµετερσ οφ ηψδρογελσ ωιτη ρεσπεχτ το πΗ 895.3 Εθυιλιβριυµ σωελλινγ χυρϖεσ α) φορ ϖαριουσ ινιτιαλ ξεδ χηαργε χονχεντρατιονσανδ β) φορ ϖαριουσ ιονιχ στρενγτησ 905.4 Εθυιλιβριυµ σωελλινγ χυρϖεσ α) φορ ϖαριουσ Ποισσονσ ρατιοσ ανδ β) φορ ϖαριουσΨουνγσ µοδυλι 925.5 Εθυιλιβριυµ σωελλινγ χυρϖεσ α) φορ ϖαριουσ αχιδ δισσοχιατιον χονσταντ ανδ β)φορ ϖαριουσ τεµπερατυρεσ 935.6 α) Σηρινκινγ ανδ β) σωελλινγ κινετιχσ οφ 300 µ ηψδρογελ φορ πΗ χηανγε βε−τωεεν 3 ανδ 6 Τηε εξπεριµενταλλψ µεασυρεδ ϖαλυεσ αρε φορ: (Η) σηρινκινγανδ () σωελλινγ [160, 161] 94
Trang 135.7 α) Σηρινκινγ ανδ β) σωελλινγ κινετιχσ οφ : 150 µ, 200 µ, 300 µ, 500 µ,ανδ 700 µ ηψδρογελσ φορ πΗ χηανγε βετωεεν 3 ανδ 6 955.8 α) Σηρινκινγ ανδ β) σωελλινγ κινετιχσ οφ 300 µ ηψδρογελ φορ πΗ χηανγε βε−τωεεν 3 ανδ 6 φορ ϖαριουσ περµεαβιλιτψ 966.1 Σχηεµατιχ οφ α χψλινδερ−σηαπεδ ηψδρογελ ατ (α) τηε πολψµεριζατιον σταγε, ανδ
ατ (β) εθυιλιβριυµ ωηιλστ ιµµερσεδ ιν α τεµπερεδ ωατερ−αλχοηολ σολυτιον 996.2 Εθυιλιβριυµ σωελλινγ χυρϖεσ φορ πολψ(Ν−ισοπροπψλαχρψλαµιδε) ιν α ωατερ−µετηανολσολυτιον φροµ τηε εξπεριµεντσ βψ Ηιροτσυ [23] 1046.3 Χαλιβρατεδ ϖαλυεσ (Η) ανδ σεχονδ−ορδερ πολψνοµιαλ () φορ Τ ατ ινχρεασινγµετηανολ ϖολυµε φραχτιονσ 1086.4 Αλχοηολ δεπενδενχε οφ τηε προποσεδ πολψµερ−σολϖεντ ιντεραχτιον παραµετερ() ατ 15
Χ ανδ β) µαχρο−πορουσ ΠΝΙΠΑ φροµ 24 ανδ 48
Χ ιν ωατερ; χ) σωελλινγ χυρϖεσ φροµ 48 ανδ 20
Χ οφ µαχροπορουσ ΠΝΙΠΑ ιν ωατερ 124
Trang 147.4 ∆εφορµατιον βεηαϖιορ οφ Π22 δυρινγ σηρινκινγ φροµ 24 το 48
Χ 1267.5 ∆εφορµατιον βεηαϖιορ οφ Π22 δυρινγ σωελλινγ φροµ 48 το 24
Χ 1277.6 α) Τεµπερατυρε δεπενδενχε οφ εθυιλιβριυµ σωελλινγ, β) σηρινκινγ κινετιχ χυρϖεσφροµ 24 ανδ 48
Χ ανδ χ) σωελλινγ κινετιχσ χυρϖεσ φροµ 48 ανδ 20
Χ φορ ( )χψλινδριχαλ ροδ, ( ) χψλινδριχαλ δισχ, ( ) χυβε, ανδ ( ) σπηεριχαλ Π22ηψδρογελσ 1297.7 ∆εφορµατιον βεηαϖιορ οφ χψλινδριχαλ ροδ, χψλινδριχαλ δισχ, χυβε ανδ σπηεριχαλΠ22 ηψδρογελσ δυρινγ σηρινκινγ φροµ 24 το 48
Χ 1317.8 ∆εφορµατιον βεηαϖιορ οφ χψλινδριχαλ ροδ, χψλινδριχαλ δισχ, χυβε ανδ σπηεριχαλΠ22 ηψδρογελσ δυρινγ σωελλινγ φροµ 48 το 24
Χ 1328.1 Σχηεµατιχ ρεπρεσεντατιον οφ: α) οω χον γυρατιον ωιτη ηψδρογελσ αχτ ασ αυ−τονοµουσ ϖαλϖεσ; β) αξιαλλψ χονστραινεδ ηψδρογελ συβϕεχτ το αλτερατιον ιν πΗ;ανδ χ) στρυχτυρε οφ ηψδρογελ 1358.2 Στρεαµλινεσ ανδ ϖελοχιτψ διστριβυτιον (µ σ 1) φορ λαµιναρ οω ιν α Τ−ϕυνχτιονωιτη ονε 300 µ ηψδρογελ φορ πΗ χηανγε βετωεεν 3 ανδ 7 ατ: α) τ = 0 µιν;β) τ = 10 µιν; χ) τ = 50 µιν; ανδ δ) τ = 200 µιν 1418.3 Ρεσπονσε οφ τηε υιδ οω δυρινγ σωελλινγ ανδ σηρινκινγ ιν α Τ−ϕυνχτιον ωιτηονε 300 µ ηψδρογελ Μασσ οω ρατε οφ τηε υιδ φορ πΗ χηανγε βετωεεν 3ανδ 7 αρε ατ: ( ) ινλετ; ( ) λεφτ ουτλετ; ανδ ( ) ριγητ ουτλετ 1428.4 Στρεαµλινεσ ανδ ϖελοχιτψ διστριβυτιον (µ σ 1) φορ λαµιναρ οω ιν α Τ−ϕυνχτιονωιτη: α) τωο 150 µ ηψδρογελσ ατ σηρυνκεν στατε; β) τωο 150 µ ηψδρογελσ
ατ σωολλεν στατε; χ) τηρεε 100 µ ηψδρογελσ ατ σηρυνκεν στατε; ανδ δ) τηρεε
100 µ ηψδρογελσ ατ σωολλεν στατε 1438.5 Ρεσπονσε οφ τηε υιδ οω δυρινγ σωελλινγ ανδ σηρινκινγ ιν α Τ−ϕυνχτιον ωιτη:( ) ονε 300 µ ηψδρογελ; ( ) τωο 150 µ ηψδρογελσ; ( ) ανδ τηρεε 100 µηψδρογελσ Μασσ οω ρατεσ οφ τηε υιδ αρε φορ πΗ χηανγε βετωεεν 3 ανδ 7 ατ:(α) ινλετ, (β) λεφτ ουτλετ ανδ (χ) ριγητ ουτλετ 144
Trang 158.6 Ρεσπονσε οφ τηε υιδ οω δυρινγ σωελλινγ ανδ σηρινκινγ ιν α Τ−ϕυνχτιον ωιτηονε 300 µ ηψδρογελ ωηιχη ηασ: ( ) ινιτιαλ περµεαβιλιτψ; ( ) 10 τιµεσ ηιγηερπερµεαβιλιτψ; ανδ ( ) 100 τιµεσ ηιγηερ περµεαβιλιτψ Μασσ οω ρατεσ οφ τηε
υιδ αρε φορ πΗ χηανγε βετωεεν 3 ανδ 7 ατ: (α) ινλετ, (β) λεφτ ουτλετ ανδ (χ)ριγητ ουτλετ 1448.7 Στρεαµλινεσ ανδ ϖελοχιτψ διστριβυτιον (µ σ 1) φορ λαµιναρ οω ιν α Τ−ϕυνχτιονωιτη τωο 300 µ ηψδρογελ φορ πΗ χηανγε βετωεεν 3 ανδ 7 ατ: α) τ = 0 µιν;β) τ = 1 µιν; χ) τ = 5 µιν; ανδ δ) τ = 25 µιν 1478.8 Ρεσπονσε οφ τηε υιδ οω δυρινγ σωελλινγ ανδ σηρινκινγ ιν α Τ−ϕυνχτιον ωιτητωο 300 µ ηψδρογελσ ιν εαχη βρανχη Μασσ οω ρατε οφ τηε υιδ φορ πΗχηανγε βετωεεν 3 ανδ 7 αρε ατ: ( ) ινλετ; ( ) λεφτ ουτλετ; ανδ ( ) ριγητ ουτλετ.148
Trang 21Χηαπτερ 1
Ιντροδυχτιον
Ιν ρεχεντ ψεαρσ, τηερε ηασ βεεν α γροωινγ ιντερεστ ιν τηε δεϖελοπµεντ οφ σµαρτ µατεριαλσ τηατποσσεσσ τηε αβιλιτψ το σενσε χηανγεσ ιν ενϖιρονµεντ ανδ συβσεθυεντλψ ρεσπονδσ βψ προδυχινγ
α υσεφυλ ε⁄εχτ Ονε προµισινγ χανδιδατε οφ τηεσε µατεριαλσ ισ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελ,ωηιχη χαν υνδεργο λαργε ρεϖερσιβλε ϖολυµε χηανγεσ ιν ρεσπονσε το σµαλλ περτυρβατιον ιν ιτσενϖιρονµεντ συχη ασ τεµπερατυρε, πΗ, αν ελεχτριχ ελδ, πρεσσυρε, ανδ/ορ λιγητ [1, 2]
∆υε το ιτσ υνιθυε προπερτιεσ, στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελ ηασ αττραχτεδ µυχη αττεντιον φροµβοτη ινδυστρψ ανδ αχαδεµιχ Νυµερουσ ηψδρογελσ ηαϖε βεεν σψντηεσιζεδ ανδ ϖαριουσ στιµυλιηαϖε βεεν ιδεντι εδ Ιν τανδεµ ωιτη εξπεριµενταλ δεσιγν ανδ σψντηεσισ οφ ηψδρογελσ ωιτηδι⁄ερεντ προπερτιεσ ανδ στρυχτυρεσ, µατηεµατιχαλ µοδελινγ ανδ χοµπυτατιοναλ αναλψσισ ηαϖεχοµε το πλαψ αν ιµπορταντ ρολε ιν ελυχιδατινγ βασιχ µεχηανισµσ, συχη ασ τηε δεφορµατιονβεηαϖιορ ανδ ρεσπονσε τιµε Τηεσε µεχηανισµσ ινϖοκε σεριεσ οφ ιντρινσιχαλλψ χουπλεδ πηψσιχ−οχηεµιχαλ προχεσσεσ ωηιχη αρε τακινγ πλαχε σιµυλτανεουσλψ δυρινγ δεφορµατιον οφ ηψδρογελσανδ αρε δι′χυλτ το θυαντιφψ εξπεριµενταλλψ Μορεοϖερ, µατηεµατιχαλ µοδελινγ χαν φυρτηερσαϖε τιµε ανδ µονεψ ασ νυµεριχαλ εξπεριµεντσ χαν βε χαρριεδ ουτ ατ α σιγνι χαντλψ λοωερχοστ ασ χοµπαρεδ το πραχτιχαλ εξπεριµεντσ
1
Trang 221.1 Οϖερϖιεω οφ γελσ ανδ τηειρ αππλιχατιον
Α γελ ισ αν ιντερεστινγ µατεριαλ φροµ τηε περσπεχτιϖε οφ βασιχ σχιενχε ασ ωελλ ασ ιν ποτεν−τιαλ ενγινεερινγ αππλιχατιον Ιτ ρεϖεαλσ βοτη σολιδ−λικε προπερτιεσ ανδ λιθυιδ−λικε προπερτιεσωηιχη οριγινατε φροµ ιτσ σολιδ ανδ λιθυιδ χονστιτυεντσ Γελ ηασ βεεν κνοων φορ ηυνδρεδσ
ορ εϖεν τηουσανδσ ψεαρσ, ιν παρτιχυλαρ, βψ χοοκσ ςαριουσ γελσ αρε χοµµονλψ υσεδ ασ φοοδ
ορ φοοδ αδδιτιϖεσ ιν ουρ δαιλψ λιφε συχη ασ ϕελλψ, γελατιν ανδ αγαρ Τηε ωορδ ∀γελ∀ ιτσελφ ισ
αν αββρεϖιατιον φορµ οφ γελατιν, ωηιχη ισ οριγιναλλψ γελατυσ ιν Λατιν ωηιχη µεανσ φροζεν,ιµµοβιλε ορ σολιδι εδ Ιν τηισ σεχτιον, α βριεφ οϖερϖιεω οφ γελσ ανδ τηειρ ϖαριουσ αππλιχατιονσαρε πρεσεντεδ
1.1.1 Στρυχτυρε οφ γελσ
Ιν εσσενχε, α γελ χονσιστσ οφ αν ελαστιχ τηρεε−διµενσιοναλ σολιδ νετωορκ ωιτη α υιδ (ανδιον ιφ πρεσεντ) λλινγ τηε ιντερστιτιαλ σπαχε οφ τηε νετωορκ, ασ ιλλυστρατεδ ιν Φιγυρε 1.1 Τηεσολιδ νετωορκ ισ δεϖελοπεδ βψ λονγ πολψµερ χηαινσ τηατ αρε χροσσ−λινκεδ εαχη οτηερ ωιτη αϖαριετψ οφ βονδσ συχη ασ ηψδρογεν βονδσ, χοϖαλεντ βονδσ, ελεχτροστατιχσ ιντεραχτιονσ, ςανδερ Ωααλσ φορχεσ ορ πηψσιχαλ εντανγλεµεντσ [3] Τηισ πολψµερ νετωορκ ηολδσ τηε ιντερστιτιαλλιθυιδ ωιτηιν ανδ προϖιδε ρυββερ−λικε ελαστιχ φορχε δυρινγ σηρινκινγ ανδ σωελλινγ ωηιχη ιν τυρνρεταιν σολιδ προπερτιεσ οφ τηε γελ ανδ πρεϖεντ ιτ φροµ δισσολϖινγ, εϖεν ωηιλε αβσορβινγ λαργεαµουντ οφ λιθυιδ, ασ δεπιχτεδ ιν Φιγυρε 1.2 Τηε λιθυιδ πηασε, ον τηε οτηερ ηανδ, οχχυπιεστηε ιντερστιτιαλ σπαχε οφ τηε πολψµερ νετωορκ ανδ χοντριβυτεσ το τηε λιθυιδ−λικε προπερτιεσ οφτηε γελ Φορ α πολψελεχτρολψτε/ιονιχ γελ, τηε ιονιχ πηασε ισ πρεσεντ ιν αδδιτιον το τηε σολιδανδ λιθυιδ πηασε Τηισ ιονιχ πηασε τψπιχαλλψ χοµπρισεσ σεϖεραλ µοβιλε ιονσ (χουντερ ιονσ ανδχο−ιονσ) δυε το τηε πρεσενχε οφ ελεχτρολψτε σολϖεντ συρρουνδ τηε γελσ ανδ ιονιζαβλε γρουπσατταχηεδ το τηε πολψµερ χηαινσ
Trang 23Φιγυρε 1.1: Σχηεµατιχ ρεπρεσεντατιον οφ γελ στρυχτυρε.
Φιγυρε 1.2: Σχηεµατιχ οφ τηε σωελλινγ ανδ σηρινκινγ προχεσσ οφ γελσ Τηε πολψµερ νετωορκπροϖιδε αν ελαστιχ φορχε τηατ ηελπσ το ρεταιν τηε σολιδιτψ οφ τηε γελ
Trang 241.1.2 Χλασσι χατιον οφ γελσ
Α γελ χαν βε χλασσι εδ αχχορδινγ το τηε οριγιν οφ ιτσ πολψµερ χονστιτυεντ, πεδαντ γρουπ ατ−ταχηεδ το ιτσ πολψµερ νετωορκ, χροσσ−λινκ ιντεραχτιον οφ ιτσ πολψµερ νετωορκ, ιτσ σιζε ανδιτσ αβσορβεδ λιθυιδ [4, 5] ∆επενδινγ ον τηε οριγιν οφ πολψµερ, α γελ χαν βε χλασσι εδ ασ ανατυραλ ορ σψντηετιχ γελ Γελατιν ανδ αγαρσ αρε εξαµπλε οφ νατυραλ γελσ Τηεψ ηαϖε λονγ−χηαινεδ µολεχυλεσ ωηιχη αρε προδυχεδ φροµ ανιµαλ προτειν ανδ πολψσαχχηαριδεσ Χλασσεσ
οφ σψντηετιχ γελσ ινχλυδε πολψ(αχρψλαµιδε), πολψ(αχρψλιχ αχιδ), πολψ(ϖινψλµετηψλετηερ), ανδπολψ(ηψδροξψετηψλ µεταχρψλατε), ωηερε τηε πολψµερ νετωορκσ αρε χονστρυχτεδ βψ πολψµεριζα−τιον οφ σψντηετιχ µονοµερ Αχχορδινγ το τηε πενδαντ γρουπσ τηατ αρε βονδεδ το τηε πολψµερχηαινσ, α γελ χαν βε χλασσι εδ ιντο νευτραλ ανδ ιονιχ γελ Οτηερ φορµσ οφ γελ χλασσι χατιονινχλυδε τηε δι⁄ερεντ πηψσιχαλ στρυχτυρεσ οφ γελ, ιτσ χροσσ−λινκ ιντεραχτιονσ, ιτσ χορρεσπονδινγφυνχτιονσ ανδ ιτσ πενετρατινγ σολϖεντ [4,5] Ωιτη ρεγαρδσ το ιτσ πενετρατινγ σολϖεντ, α γελ χαν
βε χλασσι εδ ιντο τηρεε φαµιλιεσ, ναµελψ αερογελσ (αιρ), λψοπιχ γελσ ορ οργανο γελσ (οιλ) ανδηψδρογελσ (ωατερ) Τηε λατερ ηαϖε πολψµερ νετωορκσ ωηιχη ινχλυδε ηψδροπηιλιχ γρουπσ Αλλγελσ δισχυσσεδ ιν τηισ ρεσεαρχη βελονγ το τηε φαµιλψ οφ ηψδρογελσ
1.1.3 Στιµυλι σενσιτιϖε ηψδρογελσ
Α σπεχιαλ χλασσ οφ ηψδρογελ, τηε σο−χαλλεδ στιµυλι−σενσιτιϖε ορ σµαρτ ηψδρογελ, χαν υνδεργορεϖερσιβλε ανδ λαργε ϖολυµε χηανγεσ ιν ρεσπονσε το χηανγεσ ιν ιτσ ενϖιρονµεντ, συχη ασαλτερατιονσ ιν πΗ, ιονιχ στρενγτη, τεµπερατυρε, ενζψµε−συβστρατε ασ ωελλ ασ ελεχτριχ ελδανδ ιρραδιατιον οφ λιγητ [1, 2] Οφτεν ρεφερρεδ το ασ α ∀σµαρτ µατεριαλ∀, ιτ ηασ τηε αβιλιτψ
το ρεχειϖε, τρανσµιτ ορ προχεσσ στιµυλι ανδ ρεσπονδ βψ προδυχινγ α υσεφυλ ε⁄εχτ [6, 7] Τηεϖολυµε χηανγε οφ α ηψδρογελ οριγινατεσ φροµ φουρ φυνδαµενταλ µολεχυλαρ ιντεραχτιονσ [8]:ηψδρογεν βονδινγ, ηψδροπηοβιχ ιντεραχτιον, ςαν δερ Ωααλσ ιντεραχτιον, ανδ ελεχτροστατιχιντεραχτιον Τηεσε φυνδαµενταλ ιντεραχτιονσ χουπλεδ ωιτη τηε µεχηανιχαλ προπερτιεσ οφ τηεπορουσ πολψµερ νετωορκ δετερµινε τηε σωελλινγ ανδ σηρινκινγ προπερτιεσ οφ τηε ηψδρογελσ.Σινχε τηε ρεϖερσιβλε ϖολυµε χηανγεσ οφ ηψδρογελσ ωασ δεµονστρατεδ βψ Κυην ιν 1948 [9],
Trang 25ωηο σηοωεδ τηατ γελ χαν χονϖερτ χηεµιχαλ ενεργψ διρεχτλψ ιντο µεχηανιχαλ ενεργψ, νυµερουσταιλορ−µαδε ηψδρογελσ ηαϖε βεεν σψντηεσιζεδ ανδ σεϖεραλ στιµυλι ηαϖε βεεν ιδεντι εδ Τηεµοστ χοµµον στιµυλι (πλεασε ρεφερ το [2], [5], ανδ [10] φορ µορε δεταιλσ) αρε βριεψ πρεσεντεδ
ιν τηε φολλοωινγ σεχτιον
Τεµπερατυρε
Τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελσ αρε προβαβλψ τηε µοστ εξτενσιϖελψ στυδιεδ χλασσ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε γελσ Α τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ σωελλσ ορ σηρινκσ ιν ρεσπονσε το χηανγεσ ιντεµπερατυρε Τηεψ χαν βε χλασσι εδ ιντο τωο χατεγοριεσ αχχορδινγ το τηειρ χριτιχαλ τεµπερ−ατυρε βεηαϖιορ, τηατ ισ, δεπενδινγ ον ωηετηερ τηεψ εξηιβιτ α λοωερ χριτιχαλ σολυτιον τεµ−περατυρε (ΛΧΣΤ) ορ υππερ χριτιχαλ σολυτιον τεµπερατυρε (ΥΧΣΤ) βεηαϖιορ Α τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ τηατ σωελλσ ωιτη ινχρεασινγ τεµπερατυρε ανδ χολλαπσεσ ωιτη δεχρεασινγτεµπερατυρε ισ δε νεδ ασ α ΥΧΣΤ ηψδρογελ ορ α ποσιτιϖελψ τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ.Σιµιλαρλψ, α τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ ωηιχη χολλαπσεσ ωιτη ινχρεασινγ τεµπερατυρε ανδσωελλσ ωιτη δεχρεασινγ τεµπερατυρε ισ δε νεδ ασ α ΛΧΣΤ ηψδρογελ ορ νεγατιϖελψ τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ
Τηε γενεραλ χηαραχτεριστιχ οφ α τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ ισ τηε πρεσενχε οφ ηψ−δροπηιλιχ ανδ/ορ ηψδροπηοβιχ γρουπσ ατταχηεδ το τηε πολψµερ νετωορκ [2,11,12] Τηε δελιχατεβαλανχε βετωεεν ηψδροπηιλιχ ανδ ηψδροπηοβιχ γρουπσ, τογετηερ ωιτη τηε φυνδαµενταλ µολε−χυλαρ ιντεραχτιονσ ανδ τηε µεχηανιχαλ προπερτιεσ οφ πολψµερ νετωορκ δετερµινε τηε σωελλινγπροπερτιεσ οφ α τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ Φορ ινστανχε, φορ νεγατιϖε τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελσ, ηψδρογεν βονδινγ βετωεεν ωατερ ανδ ηψδροπηιλιχ γρουπσ ον τηε πολψµερχηαιν αρε δοµιναντ ατ λοω τεµπερατυρε, λεαδινγ το α γοοδ σολυβιλιτψ οφ πολψµερ χηαιν ανδσωολλεν στατε οφ τηε ηψδρογελσ Ατ ηιγη τεµπερατυρε, ηψδροπηοβιχ ιντεραχτιον βετωεεν ηψ−δροπηοβιχ γρουπσ βεχοµε δοµιναντ ωηιλε τηε ηψδρογεν βονδινγ βεχοµεσ ωεακερ, ρεσυλτινγ
ιν τηε σηρινκινγ οφ τηε ηψδρογελσ
Σεϖεραλ ηψδρογελσ τηατ αρε χλασσι εδ ασ ποσιτιϖε τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελσ αρε πολψ(αχρψλιχ
Trang 26αχιδ−χο−αχρψλαµιδε), πολψ(αχρψλαµιδε) (πΑΑµ) ανδ πολψ(Ν−αχεταλαχρψλαµιδε) (πΝΑχΑΑµ)ωηιλε νεγατιϖε τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ινχλυδε πολψ(Ν−ισοπροπψλαχρψλαµιδε) (ΠΝΙΠΑ),πολψ(Ν,Ν−διετηψλαχρψλαµιδε) ανδ πολψ(αλλψλαµινε)−γ−πολψ(Ν−ισοπροπψλαχρψλαµιδε) (ΠΑΗ−γ−ΠΝΙΠΑ) [2, 13] Αµονγ τηεµ, ΠΝΙΠΑ ηψδρογελ ισ τηε µοστ ωιδελψ στυδιεδ ανδ υτιλιζεδτεµπερατυρε σενσιτιϖε ηψδρογελ τηατ ποσσεσσ α λοωερ χριτιχαλ σολυτιον τεµπερατυρε (ΛΧΣΤ) αταρουνδ 32−35
Χ [12, 14]
πΗ
πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ σωελλ ανδ σηρινκ δψναµιχαλλψ δεπενδινγ ον τηε πΗ λεϖελ ιν τηε συρ−ρουνδινγ µεδιυµ Ιν γενεραλ, πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ηαϖε α ηιγη χονχεντρατιον οφ δισσοχιαβλεαχιδιχ ορ βασιχ γρουπσ ωηιχη χαν βε ιονιζεδ ατ χερταιν πΗ ϖαλυεσ [15] ατταχηεδ το τηειρπολψµερ νετωορκ πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ωιτη ωεακλψ αχιδιχ γρουπσ ρεµαιν ιν α χολλαπσεδστατε ωηεν τηε πΗ ισ λεσσ τηαν τηε πΚα (αχιδ δισσοχιατιον χονσταντ), σινχε τηε ιονιχ φυνχ−τιοναλ γρουπ ισ ιν τηε προτονατεδ ανδ υνιονιζεδ στατε Ωηεν τηε πΗ εξχεεδσ τηε πΚα, τηεαχιδιχ φυνχτιοναλ γρουπσ αρε ιονιζεδ βψ δεπροτονατιον, ωηιχη ρεσυλτσ ιν αν ινχρεασε ιν τηε ξεδ χηαργε δενσιτψ Τηε ινχρεασε ιν ξεδ δενσιτψ ινδυχεσ α µιγρατιον οφ µοβιλε χουντεριονσ φροµ τηε συρρουνδινγ µεδιυµ ιντο τηε ηψδρογελσ το µαινταιν ελεχτρονευτραλιτψ ωιτηιν,λεαδινγ το τηε σωελλινγ οφ τηε ηψδρογελσ Ασ τηε ιονιζατιον προχεσσ οφ τηε δισσοχιαβλε αχιδιχγρουπ ρεαχηεσ ιτσ σατυρατιον ποιντ, ανψ φυρτηερ ινχρεασε οφ πΗ δοεσ νοτ ρεσυλτ ιν αδδιτιοναλσωελλινγ
πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ωιτη βασιχ γρουπσ βεηαϖε ιν α σιµιλαρ µαννερ; τηεψ ρεµαιν ιν αχολλαπσεδ στατε ωηεν τηε πΗ ισ ηιγηερ τηαν τηε βασιχ δισσοχιατιον χονσταντ, πΚβ Ωηεν τηε
πΗ δεχρεασεσ το α ποιντ βελοω τηε πΚβ, τηε βασιχ φυνχτιοναλ γρουπσ αρε ιονιζεδ, ρεσυλτινγ ινινχρεασε οφ ξεδ χηαργε δενσιτψ Τηε ινχρεασε ιν ξεδ δενσιτψ ινδυχεσ α µιγρατιον οφ µοβιλεχουντερ ιονσ φροµ τηε συρρουνδινγ µεδιυµ ιντο τηε ηψδρογελσ το µαινταιν ελεχτρονευτραλιτψωιτηιν τηε ηψδρογελσ, ρεσυλτινγ ιν τηε σωελλινγ οφ ηψδρογελσ
Α πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελ χαν αλσο βε σψντηεσιζεδ το υνδεργο σωελλινγ ορ σηρινκινγ ωηεν
Trang 27ιτ ισ συβϕεχτεδ το χηανγε ιν γλυχοσε Φορ τηισ πυρποσε, αν ενζψµε χαλλεδ γλυχοσε οξιδασε ωηιχη οξιδιζε γλυχοσε το γλυχονιχ αχιδ ρεσυλτινγ ιν πΗ χηανγε οφ τηε ενϖιρονµεντ [2] ισλοαδεδ το τηε ηψδρογελ Τηε ηψδρογελ χαν τηυσ βε ιµπλεµεντεδ ιν δρυγ δελιϖερψ αππλιχατιον,
ιν παρτιχυλαρ ινσυλιν δελιϖερψ, ωηερε τηε ηψδρογελ ρελεασε ινσυλιν ιν ρεσπονδσ το χηανγε ιν τηεβλοοδ γλυχοσε λεϖελ
Ελεχτριχ ελδ
Αν ελεχτριχ−σενσιτιϖε ηψδρογελ υνδεργο σηρινκινγ ορ σωελλινγ ωηεν ιτ ισ εξποσεδ το τηε πρεσ−ενχε οφ αππλιεδ ελεχτριχ ελδ [2] Ελεχτριχ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ αρε χοµµονλψ βασεδ ον πολψ−ελεχτρολψτε/ιονιχ ηψδρογελσ σιµιλαρ το τηε πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ Τηε ρεσπονσε µεχηανισµ
οφ τηε ελεχτριχ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ισ τηερεφορε σιµιλαρ το τηατ οφ πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ Απ−πλιχατιον οφ αν ελεχτριχ ελδ το τηε βατη σολυτιον ωιλλ τριγγερ ρεδιστριβυτιον οφ ιονσ ωιτηιντηε ηψδρογελσ ανδ συρρουνδινγ σολυτιον [16] Τηισ ρεδιστριβυτιον χρεατεσ α χονχεντρατιονγραδιεντ ανδ οσµοτιχ πρεσσυρε βετωεεν τηε ηψδρογελ ανδ τηε συρρουνδινγ σολυτιον, δριϖινγτηε σωελλινγ ορ σηρινκινγ οφ τηε ηψδρογελ Τηε δεφορµατιον οφ αν ελεχτριχ−στιµυλι ηψδρογελδεπενδσ ον σεϖεραλ χονδιτιονσ: χονταχτ βετωεεν τηε ηψδρογελ ανδ τηε ελεχτροδεσ ανδ τψπε οφιτσ σολυτιον (ιονιχ ορ νευτραλ) [2]
Ον σπεχι χ χασε ωηεν ονε σιδε οφ ηψδρογελ συβϕεχτεδ το δι⁄ερεντ ελεχτριχ ελδ φορµ τηεοτηερ σιδε, αν ελεχτριχ−σενσιτιϖε ηψδρογελ µαψ εξπεριενχε βενδινγ Ιν αδδιτιον, σινχε ελεχτριχ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ αρε βασιχαλλψ σιµιλαρ το πΗ−ρεσπονσιϖε γελσ, τηεψ µαψ εξπεριενχε µυλτιπλεστιµυλι ιν α τιµε ινστεαδ οφ σινγλε στιµυλυσ Φορ ινστανχε, πολψ(2−αχρψλαµιδο−2−µετηψλπροπανεσυλφονιχ αχιδ), πολψ(αχρψλιχ αχιδ) ανδ πολψ(µετηαχρψλιχ αχιδ−χο−ϖινψλ αλχοηολ) ηψδρογελσ αρερεσπονσιϖε το βοτη πΗ ανδ ελεχτριχ στιµυλι
Πρεσσυρε
Πρεσσυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελσ σωελλ ανδ σηρινκ βασεδ ον χηανγεσ ιν τηε ηψδροστατιχ πρεσσυρε
Α πρεδιχτιον τηατ α ηψδρογελ µαψ υνδεργο σωελλινγ ορ σηρινκινγ ωηεν ιτ ισ συβϕεχτεδ το πρεσ−
Trang 28συρε στιµυλι ισ δεριϖεδ φροµ τηερµοδψναµιχ χαλχυλατιονσ βασεδ ον υνχηαργεδ γελ τηεορψ [2].Αχχορδινγ το τηε τηεορψ, α γελ ωηιχη ισ ατ σηρυνκεν στατε ατ λοω πρεσσυρε ωιλλ εξπανδ ατ ηιγηερπρεσσυρε [17] Τηισ τηεορψ ωασ χον ρµεδ βψ Λεε ετ αλ [18] ωηο εξπεριµενταλλψ οβσερϖεδ τηεσωελλινγ οφ πολψ(Ν−ισοπροπψλαχρψλαµιδε) ηψδρογελ ωηεν τηε πρεσσυρε ωασ ινχρεασεδ Ιν αδ−διτιον, Κατο [19, 20] ρεπορτεδ τηατ ΠΝΙΠΑ ηψδρογελσ ιν ωατερ ανδ πολψαχρψλαµιδε ηψδρογελσ
ιν αχετονε−ωατερ µιξτυρε, υνδεργο ϖολυµε χηανγεσ ωηεν τηε ηψδροστατιχ πρεσσυρε χηανγεσ
Ιν γενεραλ, α πρεσσυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ σωελλσ ασ τηε πρεσσυρε ινχρεασε ανδ σηρινκσ ασ τηεπρεσσυρε δεχρεασε Τηισ πρεσσυρε−σενσιτιϖιτψ ωασ φουνδ το βε α χοµµον χηαραχτεριστιχ οφτεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ανδ ρελατεδ το τηε ΛΧΣΤ οφ τηε ηψδρογελσ: ΛΧΣΤ ινχρεασεσ
ασ τηε πρεσσυρε ινχρεασε
Λιγητ
Λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ηολδ ποτεντιαλ αππλιχατιον ιν δεϖελοπινγ οπτιχαλ σωιτχηεσ, δισπλαψυνιτσ, οπητηαλµιχ δρυγ δελιϖερψ δεϖιχεσ ανδ σµαρτ ωινδοωσ Ασ χοµπαρεδ το οτηερ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ, ε.γ πΗ, γλυχοσε ορ τεµπερατυρε, ωηοσε ρεσπονσε ρατε ισ µαινλψ δετερ−µινεδ βψ ρελατιϖελψ σλοω δι⁄υσιον προχεσσ, λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ηαϖε σπεχιαλ αδϖανταγεσ:ιτσ στιµυλι χαν βε ιµποσεδ ινσταντλψ (βψ σωιτχηεδ ον/ο⁄ τηε λιγητ) ανδ χαν βε δελιϖερεδ ινσπεχι χ αµουντσ ωιτη ηιγη αχχυραχψ [2] Ηενχε, λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ χαν πλαψ αν ιµ−πορταντ ρολε ιν ϖαριουσ αππλιχατιονσ ιν βοτη ενγινεερινγ ανδ βιοχηεµιχαλ αρεα Ιν χοµµον,λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ χαν βε χλασσι εδ ιντο υλτραϖιολετ(Υς) λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ανδϖισιβλε λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ Υς λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ αρε πρεπαρεδ βψ ατταχηινγ αλευχο δεριϖατιϖε µολεχυλε το τηε πολψµερ νετωορκ Τηισ µολεχυλε ισ ιονιζεδ ωηεν εξποσεδ τουλτραϖιολετ ιρραδιατιον Ατ χονσταντ τεµπερατυρε, Υς λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελ σωελλσ ωηεν ιτ
ισ συβϕεχτεδ το Υς ιρραδιατιον ανδ σηρινκσ ωηεν τηε Υς λιγητ ισ ρεµοϖεδ
Τηε ϖισιβλε λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελ ισ βασιχαλλψ α τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελ ωιτη αλιγητ−σενσιτιϖε χηροµοπηορε ατταχηεδ το τηε πολψµερ βαχκβονε Ωηεν συβϕεχτεδ το ϖισιβλελιγητ, τηε χηροµοπηορε ωιλλ αβσορβ τηε λιγητ, τρανσφορµ ιτ ιντο ηεατ ανδ τηεν δισσιπατε ιτ
Trang 29λοχαλλψ Τηισ τεµπερατυρε χηανγεσ ινδυχεσ δεφορµατιον οφ τηε ηψδρογελσ Ασ χοµπαρεδ τοΥς−σενσιτιϖε ηψδρογελσ, τηε ϖισιβλε λιγητ−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ο⁄ερ σεϖεραλ αδϖανταγεσ: ρεαδιλψαϖαιλαβλε, ινεξπενσιϖε, σαφε, χλεαν ανδ εασιλψ µανιπυλατεδ στιµυλι.
Ιον
Ωηιλε τηε ε⁄εχτ οφ σαλτ χονχεντρατιον ον τηε σωελλινγ βεηαϖιορ ισ εξπεχτεδ ονλψ φορ πολψελεχ−τρολψτε/ιονιχ ηψδρογελ, ιτ ισ φουνδ τηατ σωελλινγ προπερτιεσ οφ α νευτραλ ηψδρογελ ισ αλσο αφ−φεχτεδ βψ τηε πρεσενχε οφ σαλτ ιν τηε σολυτιον Εξπεριµενταλ οβσερϖατιον βψ Παρκ ανδ Ηο⁄µαν[21] δεπιχτεδ τηατ τρανσιτιον τεµπερατυρε (ΛΧΣΤ) οφ α νευτραλ πολψ(Ν−ισοπροπψλαχρψλαµιδε)σηιφτεδ το α λοωερ τεµπερατυρε ασ τηε χονχεντρατιον οφ σοδιυµ χηλοριδε ον τηε σολυτιον ιν−χρεασεδ Ε⁄εχτ οφ οτηερ σαλτσ ηαϖε αλσο βεεν ινϖεστιγατεδ [22]; ε.γ., σοδιυµ βροµιδε ανδσοδιυµ ιοδιδε Τηεσε σαλτσ ωερε φουνδ το ηαϖε σιµιλαρ ιµπαχτ το τηε σωελλινγ προπερ−τιεσ οφ ΠΝΙΠΑ ηψδρογελ ασ σοδιυµ χηλοριδε: σηιφτινγ οφ χριτιχαλ τεµπερατυρε Ωιτη τηεσευνιθυε σενσιτιϖιτψ προπερτιεσ το σαλτ χονχεντρατιον, τηισ ηψδρογελ χαν βε ιµπλεµεντεδ ασχηλοριδε/βροµιδε/ιοδιδε ιον−σενσιτιϖε βιοσενσορ
Μυλτιπλε στιµυλι
Γενεραλλψ, α στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελ ισ νοτ ονλψ σενσιτιϖε το ονε σπεχι χ στιµυλι βυτ τοσεϖεραλ Φορ ινστανχε, σοµε ηψδρογελσ σωελλ ανδ σηρινκ ωηεν εξποσεδ το τωο ορ µορε εξτερναλστιµυλι: περτυρβατιονσ ιν βοτη τεµπερατυρε ανδ σολυτιον ωατερ−αλχοηολ χονχεντρατιον [23,24];περτυρβατιονσ ιν βοτη τηε σολυτιον πΗ ανδ αν εξτερναλλψ αππλιεδ ελεχτριχ ελδ [25, 26]; ορπερτυρβατιονσ ιν βοτη πΗ ανδ γλυχοσε λεϖελ [27] Τηερεφορε, ιν δεσιγνινγ ηψδρογελ φορ πραχτιχαλαππλιχατιον, χαρεφυλ χονσιδερατιον ηασ το βε τακεν το ασχερταιν ονλψ δεσιρεδ στιµυλι α⁄εχτινγδεφορµατιον βεηαϖιορ οφ τηε υτιλιζεδ ηψδρογελ
Trang 301.1.4 Αππλιχατιον οφ ηψδρογελσ
∆υε το τηειρ ηιγη ωατερ χοντεντ, σοφτ χονσιστενχιεσ ανδ υνιθυε στιµυλι−σενσιτιϖε προπερτιεσ,ηψδρογελσ χαν βε φουνδ ιν α ωιδε αρραψ οφ διϖερσε αππλιχατιονσ, ρανγινγ φροµ φοοδσ ανδφοοδ αδδιτιϖεσ οϖερ δισποσαβλε διαπερσ [28], το χονταχτ λενσεσ [29, 30], τισσυε ενγινεερινγ [31]ανδ αρτι χιαλ µυσχλεσ [32] Οτηερ ελδσ ωηερε ηψδρογελσ αρε χονσιδερεδ ορ αρε εµπλοψεδινχλυδε βιοσεπαρατιον [33, 34], βιοσενσορσ [35], µιχρο−αχτυατορσ ανδ οω χοντρολ [36, 37], σοιλιρριγατιον [38], ανδ δρυγ δελιϖερψ σψστεµσ [1, 39, 40] Ηερε, σεϖεραλ αππλιχατιονσ οφ ηψδρογελσαρε βριεψ πρεσεντεδ
βε λοδγεδ ιν τηε τηροατσ ανδ χαυσινγ δεατη ιφ νοτ προπερλψ πρεπαρεδ
Ανοτηερ διεταρψ προδυχτ µαδε φροµ ηψδρογελσ χοµε φροµ Ιταλψ ιν τηε φορµ οφ α πιλλτηατ εξπανδσ ιν τηε στοµαχη ωηεν σωαλλοωεδ ωιτη α γλασσ οφ ωατερ ανδ σο γιϖεσ α σενσε οφ
φυλλνεσσ [42], ωηιχη ισ σιµιλαρ ε⁄εχτ το α µορε ρισκψ γαστριχ βανδινγ − α συργιχαλ προχεδυρετηατ ρεδυχεσ τηε σιζε οφ τηε στοµαχη Τηισ γελ ισ µαδε φροµ αν οργανιχ χοµπουνδ χαλλεδχελλυλοσε ανδ χαν βε υσηεδ ουτ βψ τηε βοδψ
Trang 31Βρεαστ ιµπλαντσ
Βρεαστ ιµπλαντσ αρε σµαλλ, µεδιχαλ−γραδε σαχσ χοµπρισεδ οφ αν ελαστοµερ σηελλ ωιτη α σελφ−σεαλινγ λλινγ ϖαλϖε λοχατεδ ον ειτηερ τηε φροντ ορ βαχκ [43] Τηερε αρε τωο τψπε οφ ιµπλαντ:πρε− λλεδ ιµπλαντ ανδ ιµπλαντ τηατ ισ λλεδ αφτερ συργερψ Φορ ιµπλαντ τηατ ισ λλεδ αφτερσυργερψ, τηε λλερ ωιλλ βε ινϕεχτεδ το τηε ιµπλαντ το µακε ιτ σωελλσ ανδ τηυσ ινχρεασε τηεβρεαστ σιζε Τηε πρε− λλεδ ιµπλαντ, ον τηε οτηερ ηανδ, δοεσ νοτ ρεθυιρε λλερ το βε αδδεδ.Τηε ονλψ ρεαλ δραωβαχκ οφ α πρε− λλεδ ιµπλαντ ισ α λονγερ ινχισιον, δεπενδινγ ον τηε σιζε οφτηε ιµπλαντ το βε ινσερτεδ Σιλιχονε γελ ισ αν εξαµπλε οφ πρε− λλεδ ιµπλαντσ Ιτ ηασ βεχοµεποπυλαρ δεσπιτε χοντροϖερσιεσ ρελατεδ το ιτσ σιδε ε⁄εχτσ αφτερ συργερψ
∆ισποσαβλε διαπερσ ανδ σοιλ ιρριγατιονσ
Τηε αππλιχατιον οφ γελσ, ιν παρτιχυλαρ ηψδρογελσ, ιν σοιλ ιρριγατιον ωασ αδαπτεδ φροµ τηεαππλιχατιον οφ γελσ ιν δισποσαβλε διαπερσ [38] Τηειρ αβιλιτψ το αβσορβ λαργε αµουντ οφ ωατερ
ισ τηε µαϕορ δριϖεν οφ τηε γελσ αππλιχατιον ον τηεσε ελδσ Σλιγητλψ δι⁄ερεντ φορµ τηειρ ρολε
ιν δισποσαβλε διαπερσ το αβσορβ τηε λιθυιδ ανδ ηολδ ιτ ωιτηουτ σεεπαγε , ιν σοιλ ιρριγατιον,ηψδρογελσ αρε υσεδ το ηολδ τηε ωατερ ανδ σλοωλψ ρελεασε ιτ τηουσανδσ τιµε οϖερ ψεαρσ ορδεχαδεσ Ιν πραχτιχε, ηψδρογελσ αρε µιξεδ ωιτη σοιλ ωηερε τηεψ ωορκ το αβσορβ ανδ σλοωλψρελεασε τηε ωατερ Τηε ρατε ατ ωηιχη ωατερ αβσορβεδ ανδ ρελεασεδ ισ δετερµινεδ βψ τηε δεσιγν
οφ ιτσ µολεχυλεσ Βεσιδε χοντρολ τηε ωατερ λεϖελ ιν τηε σοιλ, αππλιχατιον οφ ηψδρογελσ ιν σοιλιρριγατιον αλσο ρεδυχεσ τηε αµουντ οφ φερτιλιζερ ρεθυιρεδ ανδ µινιµιζε σοιλ εροσιον
Τηερε αρε, ηοωεϖερ, σεϖεραλ δραωβαχκσ ον τηε αππλιχατιον οφ ηψδρογελσ ιν σοιλ ιρριγατιον:χοµπονεντ οφ τηε ηψδρογελ, ε.γ αχρψλαµιδε, µαψ βε τοξιχ; σεϖεραλ µεταλσ τηατ αρε χονταινεδ
ιν σοιλ, ε.γ ιρον ανδ µαγνεσιυµ, µαψ δαµαγε τηε ηψδρογελσ µιξεδ ιν τηε σοιλ; τηε πενετρατιον
οφ σαλτ ιντο τηε ηψδρογελσ µαψ α⁄εχτ ιτσ αβιλιτψ ιν αβσορβινγ τηε ωατερ Ηενχε, χαρεφυλχονσιδερατιον ιν τηε σψντηεσισ ανδ δεσιγν προχεσσ ισ πριµελψ ιµπορταντ
Trang 32Χονταχτ λενσεσ
Γιϖεν τηε λαργε αµουντ οφ υσερσ αρουνδ τηε ωορλδ, οϖερ 70 µιλλιονσ, τηε χονταχτ λενσ ισχονσιδερεδ το βε τηε µοστ ωιδελψ υσεδ βιοµεδιχαλ δεϖιχε [29] Σεϖεραλ τψπεσ οφ χονταχτ λενσεσαρε µανυφαχτυρεδ φροµ ηψδρογελσ, φορ εξαµπλε, ηψδροξψ−µετηψλ µετηαχρψλατε (ΗΕΜΑ) ανδσιλιχον ηψδρογελσ Τηεσε ηψδρογελ−βασεδ χονταχτ λενσεσ αρε ραπιδλψ γαινινγ ποπυλαριτψ οϖερτηε χονϖεντιοναλ δαιλψ ωεαρ χονταχτ λενσεσ, ωηιχη ρεθυιρε δαιλψ χλεαν υπ πριορ το ρε−ινσερτιον.Τηε µαιν αδϖανταγε οφ τηισ ηψδρογελ−βασεδ χονταχτ λενσ ισ τηατ ιτ αλλοωσ οξψγεν το πασστηρουγη το τηε εψε, τηυσ ενσυρινγ τηατ τηε χορνεα σταψσ ιν α ηεαλτηψ χονδιτιον εϖεν ωηεν ιτ
ισ υσεδ φορ λονγ περιοδ ωιτηουτ ρεµοϖαλ
∆ρυγ δελιϖερψ
Τηε ε′χιενχψ οφ α δρυγ τηεραπψ δεπενδσ ον τηε ωαψ ιτ ισ ιντροδυχεδ το τηε ηυµαν βοδψ:τηερε ισ αν οπτιµυµ ρανγε φορ τηε δοσαγε ιν ωηιχη τηε δρυγσ ηαϖε α µαξιµυµ τηεραπευτιχε⁄εχτ [39] Α δρυγ χονχεντρατιον ουτσιδε τηισ ρανγε µαψ βε τοξιχ ορ ηαϖε νο τηεραπευτιχε⁄εχτ Το αδδρεσσ τηισ ισσυε, σιγνι χαντ ε⁄ορτ ηασ βεεν δεϖοτεδ το δεσιγν α χοντρολλεδ δρυγδελιϖερψ σψστεµ ωηιχη χαν δελιϖερ δρυγσ ατ δοσεσ τηατ πρεχισελψ µατχηεσ πηψσιολογιχαλ νεεδσ
ατ προπερ τιµε ανδ/ορ ατ προπερ πλαχε Χοντρολλεδ ρελεασε ιν δρυγ δελιϖερψ χαν τηερεφορεσιγνι χαντλψ ενηανχε τηε τηεραπευτιχ ε⁄εχτ οφ α δρυγ [44]
Ιν δεϖελοπινγ δρυγ δελιϖερψ σψστεµ, ηψδρογελσ ηαϖε βεεν ωιδελψ υσεδ δυε το ιτσ στιµυλι−σενσιτιϖε προπερτιεσ Ιν τηισ αππλιχατιον, τηε δρυγ ισ λοαδεδ ιντο τηε ηψδρογελ βψ ιµµερσινγτηε ηψδρογελ ιν αν αθυεουσ σολυτιον χονταινινγ τηε δρυγ Τηε δρυγ−λοαδεδ ηψδρογελ ισ τηενδριεδ το ρεµοϖε αβσορβεδ ωατερ, ε.γ βψ υσινγ ϖαχυυµ δρψερ [45, 46] ορ φρεεζε δρψερ [47, 48].Ωηεν τηε ηψδρογελ ισ ινγεστεδ, ιτ ωιλλ ρελεασε/ηολδ τηε δρυγ αχχορδινγ το τηε χηανγε ιν ιτσσυρρουνδινγ χονδιτιονσ: τεµπερατυρε, πΗ λεϖελ, γλυχοσε λεϖελ, ανδ σολϖεντ χοµποσιτιον Φορινστανχε, γλυχοσε−σενσιτιϖε ηψδρογελ ωιλλ ρελεασε τηε λοαδεδ ινσυλιν ωηεν τηε γλυχοσε λεϖελ ιντηε βοδψ ινχρεασεσ Ωηεν τηε γλυχοσε λεϖελ δεχρεασε, ηψδρογελ ρετυρνσ το ιτσ οριγιναλ στατεανδ ηολδ τηε ινσυλιν ωιτηιν Ασιδε φροµ χοντρολλεδ−ρελεασε πυρποσε, ηψδρογελ ισ εµπλοψεδ ιν
Trang 33δρυγ δελιϖερψ το προτεχτ τηε δρυγ φροµ ηοστιλε ενϖιρονµεντ: τηε πρεσενχε οφ ενζψµεσ ανδλοω πΗ ιν τηε στοµαχη [2].
Μιχρουιδιχ οω χοντρολλερσ
Α µιχρουιδιχ δεϖιχε ισ γενεραλλψ αν ιντεγρατεδ δεϖιχε ωηιχη χονσιστσ οφ ελεχτριχαλ, µεχηανιχαλανδ/ορ οπτιχαλ ελεµεντσ ωιτη ινδιϖιδυαλ φυνχτιονσ Τηε µαϕορ δραωβαχκσ οφ χονϖεντιοναλµιχρουιδιχ δεϖιχεσ αρε τηατ τηεψ ρεθυιρε αν εξτερναλ ενεργψ συππλψ ανδ τηατ τηερε αρεινηερεντ δι′χυλτιεσ ιν ασσεµβλινγ ιτσ χοµπονεντσ ιντο α σινγλε µιχροσψστεµ, ωηιχη λιµιττηειρ υσε ιν νυµερουσ αππλιχατιονσ [37] Ιν χοντραστ το τηε χονϖεντιοναλ µιχρουιδιχ δεϖιχεσ,στιµυλι−ρεσπονσιϖε ηψδρογελσ χαν βε υσεδ ασ α µιχρουιδιχ δεϖιχε ωιτηουτ τηε νεεδ φορ ανεξτερναλ ενεργψ συππλψ Ιν αδδιτιον, στιµυλι−ρεσπονσιϖε ηψδρογελσ χαν σενσε χηανγεσ ιν ιτσενϖιρονµεντ (ρολε οφ α σενσορ) ανδ τηεν σωελλ ορ σηρινκ χορρεσπονδινγλψ (ρολε οφ αν αχτυατορ).Ηψδρογελσ χουλδ τηερεφορε ρεπλαχε τηε µαϕορ χοµπονεντσ ιν µιχρουιδιχσ οω χοντρολλερσ συχη ασ σενσορσ, σιγναλ προχεσσορσ, ρεγυλατορσ ανδ αχτυατορσ [49] ανδ ρεδυχε τηε χοµπλεξιτψ
οφ τηε σψστεµ
∆υε το τηειρ ποτεντιαλ ιν µιχρουιδιχ ελδσ, νυµερουσ εξπεριµενταλ στυδιεσ ανδ δεσιγνσ οφµιχρουιδιχ σψστεµσ ωηιχη υτιλιζινγ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ηαϖε βεεν χαρριεδ ουτ; σοµε
οφ ωηιχη αρε δεσιγνινγ οφ µιχροϖαλϖεσ [37, 50, 51, 52, 53], µιχροπιστονσ [54], µιχρο−χοολινγσψστεµ [55] ανδ µιχροπυµπσ [56]
Αρτι χιαλ µυσχλεσ
Τηερε αρε σεϖεραλ µατεριαλσ τηατ αρε χοµµονλψ υσεδ ιν πρεπαρατιον οφ αρτι χιαλ µυσχλε: πολψ−µερ ηψδρογελσ, ελεχτροχονδυχτιϖε πολψµερσ, πολψµεριχ λιθυιδ χρψσταλσ, συπερµολεχυλαρ σψσ−τεµσ, ανδ/ορ µεταλ−πολψµερ χοµποσιτεσ [32] Ουτ οφ τηεσε, τηε ηψδρογελ ισ ωελλ συιτεδ ασ
ιτ χαν σηρινκ/σωελλ (χοντραχτ/ρελαξ) ανδ ισ τψπιχαλλψ βιο−χοµπατιβλε Σεϖεραλ αππλιχατιονσ οφηψδρογελ ιν αρτι χιαλ µυσχλε δεϖελοπµεντ αρε α πολψµερ ηψδρογελ νγερ τηατ χαν ηολδ α πιεχε
οφ παπερ ιν τηε αιρ, α ηψδρογελ βεετλε τηατ χαν χραωλ υπ αν ινχλινε οορ, ροτατιοναλ µοτορ
Trang 34ποωερεδ βψ ηψδρογελ, αππινγ ωινγ µαδε φροµ ηψδρογελ, α ηψδρογελ Φερρισ ωηεελ ανδ ση−λικεσοφτ−µαχηινε [57, 58].
Σεπαρατιον
Τηε µεχηανισµ οφ τηε σεπαρατιον προχεσσ βψ υσινγ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελ ισ σιµιλαρ τοτηατ οφ υλτρα λτρατιον µετηοδ ωηερε χοµπονεντσ ιν α σολυτιον αρε σεπαρατεδ βασεδ ον τηειρδι⁄ερενχεσ ιν περµεαβιλιτψ ωηιχη χουλδ βε α⁄εχτεδ βψ σολυτε σιζε, σολυτε/µεµβρανε χηαργεανδ α′νιτψ οφ σολυτεσ τοωαρδσ τηε µεµβρανε, ανδ ινδεεδ βψ δι⁄ερεντ χοµβινατιονσ οφ τηεσεφαχτορσ Τηε αδϖανταγεσ οφ τηε σεπαρατιον µετηοδ βψ υσινγ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ισ τηαττηε µεµβρανε πορε ανδ συρφαχε προπερτιεσ χαν βε δψναµιχαλλψ µοδι εδ δυρινγ σεπαρατιονπροχεσσ βψ µανιπυλατε τηε οπερατινγ χονδιτιον, αλλοωινγ φορ µυλτι−χοµπονεντ σεπαρατιονρεθυιρινγ ονλψ α σινγλε τυναβλε µεµβρανε [59]
γελσ
Ιν δεσιγνινγ ηψδρογελ φορ πραχτιχαλ αππλιχατιον, σοµε οφ ωηιχη ηαϖε βεεν πρεϖιουσλψ στατεδ, ανυνδερστανδινγ οφ ιτσ δεφορµατιον βεηαϖιορ ισ ιµπορταντ Ιν ε⁄ορτ το ελυχιδατινγ βασιχ µεχη−ανισµσ οφ δεφορµατιον οφ στιµυλι σενσιτιϖε ηψδρογελσ, µατηεµατιχαλ µοδελινγ ηασ βεχοµεινδισπενσαβλε τοολσ Νυµερουσ µατηεµατιχαλ µοδελσ ηαϖε βεεν δεϖελοπεδ ανδ προποσεδ τουνδερστανδ ανδ πρεδιχτ τηε σωελλινγ εθυιλιβριυµ ανδ δεφορµατιον κινετιχσ οφ στιµυλι−σενσιτιϖεηψδρογελσ Αµονγ τηε εξιστινγ µοδελσ δεϖελοπεδ το δεσχριβε τηε σωελλινγ εθυιλιβριυµ οφ ηψ−δρογελσ, Φλορψσ µεαν ελδ τηεορψ [60] ανδ ιτσ αλτερατιονσ τηερεοφ αρε τηε µοστ ωιδελψ υσεδανδ αδαπτεδ Τηισ τηεορψ τρεατσ τηε σωελλινγ εθυιλιβριυµ οφ α γελ−σολϖεντ σψστεµ ασ α βαλανχεβετωεεν τηε φρεε ενεργιεσ οφ µιξινγ, ελαστιχ στρεσσ ανδ οσµοτιχ πρεσσυρε Α µορε δεταιλ λιτερ−ατυρε ρεϖιεω ον τηε µατηεµατιχαλ µοδελινγ οφ εθυιλιβριυµ σωελλινγ οφ ηψδρογελσ ισ πρεσεντεδ
ιν Ταβλε 2.1 ιν Χηαπτερ 2
Trang 35Υνλικε µατηεµατιχαλ µοδελσ φορ εθυιλιβριυµ σωελλινγ βεηαϖιορ, ωηερε µοστ φολλοω α µαινφυνδαµενταλ τηεορψ, Φλορψσ µεαν ελδ τηεορψ, τηε µατηεµατιχαλ µοδελσ δεριϖεδ φορ δεφορµα−τιον κινετιχσ βεηαϖιορ ηαϖε νο υνι εδ αππροαχη Τηε ρεασον φορ τηισ διϖερσιον ισ τηε φαχτ τηατϖαριουσ πηψσιχοχηεµιχαλ πηενοµενα ιντριχατε χηεµιχαλ προχεσσεσ ωιτηιν ηψδρογελσ, τρανσ−πορτ πηενοµενα (µασσ, µοµεντυµ, σπεχιεσ ανδ ενεργψ), κινεµατιχ ανδ µεχηανιχαλ βεηαϖιορ
οφ τηε ηψδρογελσ ηαϖε το βε τακεν ιντο αχχουντ ωηεν αττεµπτινγ το πρεδιχτ τηε σωελλινγκινετιχσ Τηυσ, µοδελσ ϖαρψ ιν τηειρ χονσιδερατιονσ οφ τηε δι⁄ερεντ πηψσιχαλ πηενοµενα, ασωελλ ασ τηε τψπεσ οφ ηψδρογελσ τηε µοδελ αρε δεϖελοπεδ φορ Σεϖεραλ µατηεµατιχαλ µοδελσδεϖελοπεδ το πρεδιχτ δεφορµατιον κινετιχσ οφ ηψδρογελσ ωερε δεριϖεδ φροµ δι⁄υσιον εθυα−τιον ανδ ωερε ονε−διµενσιοναλ: χολλεχτιϖε δι⁄υσιον µοδελ οριγιναλλψ δεϖελοπεδ βψ Τανακαγρουπ [61, 62, 63], δι⁄υσιον µοδελ δεϖελοπεδ φροµ γενεραλιζεδ Μαξωελλ−Στεφαν εθυατιον βψΒισσχηοπσ [64], δι⁄υσιον µοδελ βασεδ ον Φιχκσ σεχονδ λαω βψ Σινγη ανδ Ωεβερ [65], ανδµοδι εδ ϖισχοελαστιχ µοδελ βψ Χολοµβο ετ αλ [66] ωηιχη αχχοµµοδατε νον−Φιχκιαν βεηαϖ−ιορ Οτηερ µοδελσ φορ δεφορµατιον κινετιχσ οφ ηψδρογελσ ωερε δεϖελοπεδ βασεδ ον µιξτυρετηεορψ [67]: τωο−υιδ µοδελ [68,69,70,71,72,73,74], βιπηασιχ µοδελ [75,76,77] ανδ τριπηασιχµοδελ [78, 79, 80, 81] Βιπηασιχ µοδελ ηασ αττραχτεδ σιγνι χαντ ιντερεστ δυε το ιτσ αβιλιτψ τοτραχκ εαχη πηασε µοϖεµεντ δυρινγ δεφορµατιον οφ ηψδρογελσ; τηε µατηεµατιχαλ µοδελ πρε−σεντεδ ιν τηισ τηεσισ ισ δεϖελοπεδ βασεδ ον τηε βιπηασιχ µοδελ Ιν αδδιτιον το τηε δεϖελοπµεντ
οφ τηεορετιχαλ µοδελσ, σιµπλε εθυατιονσ συχη ασ εξπονεντιαλ φυνχτιονσ [82] ορ εµπιριχαλ εθυα−τιονσ [83] τηατ ωερε ττεδ το εξπεριµεντσ ηαϖε βεεν προποσεδ Μορεοϖερ, τηε µεσοσχαλε ανδµαχροσχαλε οφ α σωελλινγ γελ ηαϖε βεεν στυδιεδ βψ Χυσηµαν ετ αλ [84, 85] ∆εταιλσ ον τηεσεµοδελσ αρε συµµαριζεδ ιν Ταβλε 2.2 ιν Χηαπτερ 2
Μαϕοριτψ οφ τηε µατηεµατιχαλ µοδελ δεσχριβεδ αβοϖε χαν ονλψ πρεδιχτ υνιφορµ δεφορ−µατιον; ηενχε, τηεψ χαννοτ βε ιµπλεµεντεδ ωηεν τηε νον−υνιφορµ δεφορµατιον οχχυρσ Ιτ
ισ τηερεφορε οφ ιντερεστ το δεϖελοπ α γενεριχ µατηεµατιχαλ µοδελ ωηιχη χαν χαπτυρε βοτηυνιφορµ ανδ νον−υνιφορµ δεφορµατιον οφ τηε ηψδρογελσ
Trang 361.3 Οβϕεχτιϖεσ
Τηισ ρεσεαρχη αδδρεσσεσ τηε τρανσπορτ πηενοµενα ανδ δεφορµατιον βεηαϖιορ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ωιτη τωο µαιν οβϕεχτιϖεσ: 1) το στυδψ τηε φυνδαµενταλ πηψσιχσ ανδχηεµιστρψ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ανδ τηε ασσοχιατεδ τρανσπορτ προχεσσ δυρινγ σωελλινγανδ σηρινκινγ (Φυνδαµενταλ ρεσεαρχη); 2) το προϖιδε δεσιγν γυιδελινεσ ον τηε αππλιχατιονσ
οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ιν τηε λιγητ οφ τηε χοµπυτατιοναλ στυδψ (Αππλιεδ ρεσεαρχη)
1.3.1 Φυνδαµενταλ ρεσεαρχη
Τηε φυνδαµενταλ ρεσεαρχη τηατ ισ χονδυχτεδ ινχλυδινγ:
Ιδεντιφψ τηε εσσεντιαλ πηψσιχσ/χηεµιστρψ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ εσπεχιαλλψ δυρινγτηε σωελλινγ ανδ σηρινκινγ
∆εϖελοπ µατηεµατιχαλ µοδελσ οφ τηε σωελλινγ ανδ σηρινκινγ βεηαϖιορ οφ στιµυλι−σενσιτιϖεηψδρογελσ
Χονδυχτ σχαλινγ αναλψσισ το προϖιδε αν ινσιγητ ιντο τηε δεφορµατιον βεηαϖιορ οφ στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελσ πριορ το νυµεριχαλ χοµπυτατιον
Σιµυλατιον ανδ ϖαλιδατιον οφ τηε δεϖελοπεδ µοδελσ ωιτη τηε εξπεριµενταλ δατα
Τηισ παρτ ισ µοτιϖατεδ βψ τηε φαχτ τηατ µοστ µατηεµατιχαλ µοδελσ αρε ονλψ σολϖεδ φορονε−διµενσιοναλ υνιφορµ δεφορµατιον, ανδ σο γενεραλλψ δο νοτ χονσιδερ πηενοµενα συχη ασβενδινγ ανδ βυχκλινγ Φυρτηερµορε, µοστ οφ τηεσε αρε νοτ αναλψζεδ ιν τερµσ οφ σχαλεσ, ωηιχη
ωε βελιεϖε χαν προϖιδε α ωεαλτη οφ ινφορµατιον τηατ µιγητ οτηερωισε βε δι′χυλτ το οβταιν
1.3.2 Αππλιεδ ρεσεαρχη
Ιν αππλιεδ ρεσεαρχη, αππλιχατιον οφ στιµυλι σενσιτιϖε ηψδρογελσ ιν µιχροελεχτροµεχηανιχαλ σψσ−τεµ ασ µιχρουιδιχ οω χοντρολλερ ισ ινϖεστιγατεδ, ινχλυδινγ:
Trang 37Μοδελ δεϖελοπµεντ οφ τηε οω ιν τηε µιχροχηαννελ.
Ινχορπορατε τηε ηψδρογελσ µοδελ τηατ ηαϖε βεεν δεϖελοπεδ ιν τηε φυνδαµενταλ ρεσεαρχηωιτη τηε µοδελ οφ οω ιν τηε µιχροχηαννελ το στυδψ
Ινϖεστιγατε τηε σενσινγ ανδ αχτυατινγ βεηαϖιορ οφ α στιµυλι−σενσιτιϖε ηψδρογελ τηατ ισεµβεδδεδ ιν α µιχροχηαννελ
Εξπλορε ανδ ινϖεστιγατε ϖαριουσ στρατεγιεσ το ιµπροϖε τηε ρεσπονσε ρατε οφ τηε ηψδρογελσ.Τηισ παρτ ισ µοτιϖατεδ βψ τηε φαχτ τηατ µοστ οφ τηε µιχρουιδιχ στυδιεσ ον ηψδρογελσ αρεεξπεριµενταλ ιν νατυρε
Τηε ουτλινε οφ τηε τηεσισ ισ ασ φολλοωσ: Χηαπτερ ονε πρεσεντσ αν οϖερϖιεω οφ τηε νατυρε οφγελσ ανδ ιτσ αππλιχατιον, φολλοωεδ βψ τηε οβϕεχτιϖεσ οφ τηε τηεσισ Α λιτερατυρε ρεϖιεω ονπρεϖιουσ µατηεµατιχαλ µοδελινγ ισ πρεσεντεδ ιν χηαπτερ τωο Τηε µατηεµατιχαλ φορµυλατιον
ισ τηεν ουτλινεδ ιν χηαπτερ τηρεε Νυµεριχαλ ινϖεστιγατιονσ φορ στιµυλι−σενσιτιϖε γελσ συβϕεχτ τοχηανγεσ ιν ϖαριουσ στιµυλι (τεµπερατυρε, πΗ, ανδ χουπλεδ αλχοηολ/τεµπερατυρε) αρε πρεσεντεδ
ιν χηαπτερσ φουρ, ϖε ανδ σιξ Χοµπυτατιοναλ στυδψ οφ τηρεε διµενσιοναλ νιτε δεφορµατιον
οφ φαστ−ρεσπονσε τεµπερατυρε−σενσιτιϖε ηψδρογελσ ισ πρεσεντεδ ιν χηαπτερ σεϖεν Ιν χηαπτερειγητ, τηε µατηεµατιχαλ µοδελ φορ α πΗ−σενσιτιϖε ηψδρογελ ισ εξτενδεδ ανδ αππλιεδ το στυδψ
α µιχρουιδιχ οω χοντρολλερ φορ λαµιναρ οω ιν τψπιχαλ Τ−ϕυνχτιον Τηε ναλ χηαπτερ ενδσωιτη συµµαρψ, χονχλυδινγ ρεµαρκσ ανδ ρεχοµµενδατιονσ φορ φυτυρε στυδιεσ
Trang 38Χηαπτερ 2
Λιτερατυρε ρεϖιεω
Ιν δεϖελοπινγ µατηεµατιχαλ µοδελ το πρεδιχτ σωελλινγ βεηαϖιορ οφ γελσ, α ωιδε ρανγε οφ πηψσιχ−οχηεµιχαλ πηενοµενα ηαϖε το βε χονσιδερεδ, ρεθυιρινγ α µιξινγ οφ χοντινυυµ µεχηανιχσ,πολψµερ σχιενχε, τρανσπορτ πηενοµενα, ανδ ελεχτροχηεµιστρψ φορ πολψελεχτρολψτε γελσ [86].Νυµερουσ µατηεµατιχαλ µοδελσ ηαϖε βεεν δεριϖεδ ιν αν αττεµπτ το δεσχριβε ανδ µοδελ τηεσωελλινγ βεηαϖιορ οφ ρεσπονσιϖε γελσ Ιν τηισ σεχτιον, ωε ωιλλ εξαµινε α λιτερατυρε ρεϖιεω οντηε προγρεσσεσ ιν µατηεµατιχαλ µοδελ δεϖελοπµεντ φορ βοτη εθυιλιβριυµ σωελλινγ ανδ κινετιχδεφορµατιον Ωε ωιλλ αλσο προϖιδε α χαπσυλε οϖερϖιεω οφ εξιστινγ στυδιεσ ον τηε αππλιχατιον
οφ ηψδρογελ ιν µιχρουιδιχσ
Τηε µοστ φυνδαµενταλ πηενοµενολογιχαλ τηεορψ ρεγαρδινγ τηε µοδελινγ οφ τηε σωελλινγ βε−ηαϖιορ οφ γελσ ωασ προποσεδ βψ Φλορψ [87] ανδ Ηυγγινσ [88] Φλορψ ανδ Ηυγγινσ προποσεδ ατηεορψ ωηιχη ισ τραδιτιοναλλψ υσεδ το χαλχυλατε τηε εντροπψ χηανγε οφ α πολψµερ−σολϖεντ σψσ−τεµ χοντριβυτεδ βψ µιξινγ οφ τηε σολϖεντ µολεχυλεσ ωιτη τηε χηαινσ οφ τηε πολψµερ νετωορκ.Σινχε τηεν, ϖαριουσ µατηεµατιχαλ µοδελσ ηαϖε βεεν δεϖελοπεδ ανδ προποσεδ Συµµαρψ οφτηεσε µοδελσ αρε πρεσεντεδ ιν Ταβλε 2.1
18
Trang 39τιον, τραδιτιοναλλψ υσεδ το χαλχυλατε τηε εντροπψ χηανγε
οφ α πολψµερ−σολϖεντ σψστεµ χοντριβυτεδ βψ µιξινγ οφσολϖεντ µολεχυλεσ τηε ωιτη λονγ χηαιν οφ πολψµερ νετ−
ωορκ Τηε δραωβαχκ οφ τηισ τηεορψ ισ τηατ ιτ χουλδ νοτπρεδιχτ τηε σωελλινγ βεηαϖιορ οφ νετωορκσ ιν α γοοδ σολ−
ϖεντ Λατερ στυδιεσ ρεϖεαλεδ τηατ τηε ιντεραχτιον οφ γελσ
ιν γοοδ σολϖεντσ ηασ στρονγερ χονχεντρατιον δεπενδενχετηαν τηατ οριγιναλλψ προποσεδ ον τηε Φλορψ−Ηυγγινσ τηε−
ορψ
Φλορψανδ Ηυγ−γινσ [88,87]
Φλορψ−Ρεηνερ
Τηεορψ
Τηισ µοδελ ισ αν εξτενσιον οφ τηε Φλορψ − Ηυγγινσ τηεορψτηατ αχχουντεδ φορ τηε ελαστιχ δεφορµατιον οφ γελσ υποντηε αβσορπτιον ανδ δεσορπτιον οφ ωατερ Ιτ ωασ φυρτηερδεϖελοπεδ ιντο α ωελλ−κνοων Φλορψσ µεαν ελδ τηεορψ
Φλορψ ανδΡεηνερ[89, 90]
Φλορψσ µεαν
ελδ τηεορψ
Τηισ τηεορψ τρεατσ τηε εθυιλιβριυµ σωελλινγ οφ τηεηψδρογελ−σολϖεντ σψστεµ ασ α βαλανχε βετωεεν τηε µιξ−
ινγ, ελαστιχ ανδ ιονιχ φρεε ενεργιεσ ∆εσπιτε ιτσ ποπυλαρ−
ιτψ, Φλορψ µεαν ελδ τηεορψ ηασ χερταιν δραωβαχκ: ωηιλε
ιτ χουλδ πρεδιχτ χοντινυουσ ανδ σλιγητλψ δισχοντινυουσϖολυµε χηανγε οφ ηψδρογελ, ιτ χουλδ νοτ αδεθυατελψ πρε−
διχτ σωελλινγ βεηαϖιορ τηατ ινϖολϖε λαργε δισχοντινυουσϖολυµε χηανγεσ ωηιχη ωασ ρστ ποστυλατεδ βψ ∆υσεκ ανδΠαττερσον [91] ανδ εξπεριµενταλλψ χον ρµεδ βψ Τανακα
ασ Ερµαν−Φλορψ τηεορψ Ιν τηισ τηεορψ, τηε ιντεραχτιονπαραµετερ ωασ προποσεδ ασ α φυνχτιον οφ πολψµερ ϖολυµεφραχτιον το τακε ιντο αχχουντ στρονγ δεπενδενχε οφ τηειντεραχτιον παραµετερ το πολψµερ ϖολυµε φραχτιον Τηεελαστιχ φρεε ενεργψ φορ τηε πολψµερ νετωορκ ωασ βασεδ
ον τηε τηεορψ οφ ελαστιχιτψ ωηιχη, ιν χοντραστ το πρεϖιουστηεορψ, τακεσ ιντο αχχουντ τηε νονα′νε δισπλαχεµεντ οφνετωορκ ϕυνχτιον υνδερ στραιν Ιτ ινχλυδεδ χονχεντρατιονδεπενδενχε οφ τηε ιντεραχτιον παραµετερ το αδεθυατελψπρεδιχτ λαργε δισχοντινυουσ ϖολυµε χηανγε οφ ηψδρογελσ
Ερµαν ανδΦλορψ [93]
Χοντινυεδ ον νεξτ παγε
Trang 40τωεεν τηε χηαργεδ µαχροµολεχυλαρ χηαινσ ανδ τηε φρεειονσ ςαν δερ Ωααλσ ιντεραχτιον ανδ ηψδρογεν βονδινγωασ νεγλεχτεδ ιν τηισ µοδελ.
Κατχηαλσκψανδ
Μιχηαελι[94]