一、引言

復(fù)合水凝膠作為一種新型的高分子材料，因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，如生物醫(yī)學(xué)、組織工程、化妝品、食品添加劑等。然而，要實(shí)現(xiàn)復(fù)合水凝膠的有效應(yīng)用，準(zhǔn)確測(cè)定其性能至關(guān)重要，而凝膠強(qiáng)度是衡量復(fù)合水凝膠質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀作為一種專(zhuān)門(mén)用于測(cè)量凝膠強(qiáng)度的儀器，為復(fù)合水凝膠的性能評(píng)估提供了可靠的手段。

二、復(fù)合水凝膠的特性及凝膠強(qiáng)度的重要性

（一）復(fù)合水凝膠的特性

復(fù)合水凝膠是一種由聚合物網(wǎng)絡(luò)和大量的水組成的軟、濕材料，通常具有較高的含水量和三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它可以在水中迅速溶脹并保持大量體積的水而不溶解，同時(shí)具有良好的彈性和柔韌性。為了提升其機(jī)械性能，常會(huì)摻入納米級(jí)填料等物質(zhì)制備納米復(fù)合水凝膠。

（二）凝膠強(qiáng)度的重要性

1. 產(chǎn)品質(zhì)量控制：凝膠強(qiáng)度直接反映了復(fù)合水凝膠在受到外力作用時(shí)抵抗變形的能力，是衡量其質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。高凝膠強(qiáng)度的產(chǎn)品在加工和儲(chǔ)存過(guò)程中能夠更好地保持形狀和結(jié)構(gòu)，從而提高產(chǎn)品的附加值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
2. 應(yīng)用領(lǐng)域的需求：在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)復(fù)合水凝膠的凝膠強(qiáng)度有著不同的要求。例如，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，用于組織修復(fù)和藥物緩釋的復(fù)合水凝膠需要具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，以支撐受損組織的修復(fù)和藥物的緩慢釋放；在食品工業(yè)中，作為增稠劑或凝膠劑的復(fù)合水凝膠也需要有合適的凝膠強(qiáng)度，以保證食品的口感和穩(wěn)定性。

三、凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀的工作原理及測(cè)試方法

（一）工作原理

凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀通過(guò)模擬復(fù)合水凝膠在實(shí)際使用過(guò)程中所受到的外力作用，測(cè)量其在受力時(shí)的應(yīng)力 - 應(yīng)變關(guān)系，從而確定其凝膠強(qiáng)度。常見(jiàn)的凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀如Universal TA研究型質(zhì)構(gòu)儀，利用高精度壓力傳感器和數(shù)控電子線路，對(duì)樣品施加壓力并自動(dòng)抓取樣品在受力過(guò)程中的最大壓力值，在樣品破碎瞬間自動(dòng)鎖定該值。

（二）測(cè)試方法

1. 拉伸法：通過(guò)對(duì)樣品施加沿縱軸方向的靜態(tài)拉伸負(fù)荷，直至樣品被拉斷，在此過(guò)程中可以得到樣品形變的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，從而得到拉伸強(qiáng)度、拉伸斷裂應(yīng)力、拉伸屈服應(yīng)力以及拉伸彈性模量等參數(shù)。但該方法存在一定局限性，水凝膠在拉伸過(guò)程中會(huì)失去部分含水量，可能影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
2. 壓縮法：基于萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等儀器，對(duì)柱狀樣品施加壓力，測(cè)量樣品壓縮形變，得到應(yīng)力 - 應(yīng)變圖。從圖中選擇合適的應(yīng)變范圍，并對(duì)該區(qū)域內(nèi)曲線作斜率得到壓縮模量。適用于一些不適合用拉伸法測(cè)量的水凝膠。
3. 壓痕法：由壓縮法發(fā)展而來(lái)，當(dāng)使用壓縮法測(cè)量時(shí)，對(duì)于含水率較高的低彈性水凝膠來(lái)說(shuō)，壓力會(huì)使得水凝膠失水而增大彈性模量。而利用壓痕法，樣品只需發(fā)生非常微小的壓痕形變即可，不會(huì)破壞樣品的自身含水量。原子力顯微鏡（AFM）就是基于壓痕法發(fā)展出來(lái)的，能探測(cè)到樣品極微小的形變，測(cè)量精度高，但對(duì)操作、硬件等要求很高，成本也較為昂貴。

四、凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀在復(fù)合水凝膠性能測(cè)定中的應(yīng)用實(shí)例

以Universal TA研究型質(zhì)構(gòu)儀為例，在測(cè)定復(fù)合水凝膠的力學(xué)性能時(shí)，將制備好的圓柱形水凝膠放于柱形探頭正下方，設(shè)置測(cè)試前速度、測(cè)試速度、測(cè)試后速度均為10mm/min，觸發(fā)力為8gf，目標(biāo)模式為距離30mm。通過(guò)記錄和分析測(cè)試過(guò)程中的壓力 - 應(yīng)變曲線，可以得到復(fù)合水凝膠的應(yīng)力、應(yīng)變、壓縮強(qiáng)度和彈性模量等關(guān)鍵機(jī)械性能指標(biāo)。這些指標(biāo)能夠全面反映復(fù)合水凝膠在不同受力狀態(tài)下的性能表現(xiàn)，為其在實(shí)際應(yīng)用中的性能評(píng)估提供重要依據(jù)。

五、凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀的優(yōu)勢(shì)與不足

（一）優(yōu)勢(shì)

1. 精確可靠：能夠準(zhǔn)確地測(cè)量復(fù)合水凝膠在受力過(guò)程中的各項(xiàng)性能指標(biāo)，為產(chǎn)品的研發(fā)和質(zhì)量控制提供可靠的數(shù)據(jù)支持。
2. 操作簡(jiǎn)便：通常具有直觀的操作界面和自動(dòng)化的測(cè)試流程，操作人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可上手操作，提高了測(cè)試效率。
3. 可重復(fù)性好：多次測(cè)試的結(jié)果具有較好的一致性，有助于對(duì)復(fù)合水凝膠的性能進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)估和比較。

（二）不足

1. 儀器成本較高：高精度的凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀價(jià)格相對(duì)昂貴，對(duì)于一些小型實(shí)驗(yàn)室或企業(yè)來(lái)說(shuō)，可能存在一定的經(jīng)濟(jì)壓力。
2. 測(cè)試條件有限：目前的凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀大多只能在特定的測(cè)試條件下進(jìn)行測(cè)量，可能無(wú)法完全模擬復(fù)合水凝膠在所有實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的受力情況。

六、結(jié)論

凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀在復(fù)合水凝膠性能測(cè)定中發(fā)揮著不可替代的作用。它能夠準(zhǔn)確、快速地測(cè)量復(fù)合水凝膠的凝膠強(qiáng)度及其他相關(guān)性能指標(biāo)，為復(fù)合水凝膠的研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制提供了重要的技術(shù)支持。雖然目前凝膠強(qiáng)度測(cè)試儀還存在一些不足之處，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，其性能和功能將不斷完善和提高，有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，推動(dòng)復(fù)合水凝膠技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。