بررسي رفتار هيدروژل‌هاي حساس به دما با در نظر گرفتن خواص تابعي هدفمند

Investigating the behavior of temperature-responsive hydrogels by considering functionally graded properties

امروزه هيدروژل‌ها با خواص منحصر بفرد خود در پاسخ به تحريك‌هاي خارجي و تورم در اثر جذب سيال، توجه بسياري از محققان را بخود جلب كرده‌اند. با توجه به ميزان بالاي افزايش حجم اين مواد وقابل‌برگشت بودن اين تورم، پيش‌بيني پاسخ مكانيكي اين مواد از اهميت بسزايي برخوردار است. هيدروژل‌هاي تابعي-هدفمند حساس بدما از مواد پركاربرد درصنعت مي‌باشند. جهت مطالعه رفتار مكانيكي اين مواد حين تغييردما، يك تابع انرژي متشكل از دو بخش انرژي كشيدگي شبكه و انرژي تركيب درنظر گرفته شده است. سپس با در نظر گرفتن تغيير مشخصات هيدروژل‌هاي تابعي-هدفمند حساس بدما درراستاي ضخامت حل نيمه‌تحليلي براي خمش اين مواد درشرايط كرنش-صفحه‌اي ارائه گرديده است. براي بررسي صحت روش، نتايج حاصل با نتايج خروجي از روش اجزامحدود مقايسه شده است. براي حل مسائل مختلف به روش اجزامحدود نياز به نوشتن زيربرنامه UHYPER اين مواد هستيم. صحت اين زيربرنامه با درنظر گرفتن مسئله تورم آزاد ارزيابي گرديده است. سپس شعاع، تنش شعاعي و مماسي در خمش تير متشكل از هيدروژل‌هاي تابعي-هدفمند حساس به دما در هر دو روش مطالعه گرديده است. در نهايت نيز با توجه به اهميت دو فاكتور ميزان زاويه خميدگي و انحنا در كاربردهاي صنعتي، اين دو فاكتور نيز با تغييردما درهمان بازه 320 تا 288 مورد بررسي قرار گرفته است، كه بادقت در نتايج حاصله مي‌توان توانايي اين مواد در كاربردهايي هم‌چون سنسور و عملگر را مشاهده كرد. همچنين وجود پيوستگي در تنش‌هاي شعاعي و مماسي دليلي براي استفاده بيشتر اين مواد مي‌باشد كه اين خواص را در سنسورهاي چندلايه نمي‌توان مشاهده كرد.

Todays, hydrogels have attracted many researchers due to their unique properties in responding to exterior stimuli and swelling-induced by water absorption. According to their reversible swelling, it is important to predict their mechanical response. The functionally-graded temperature-sensitive hydrogel is one of the most applicable materials in industry. Thus, to study the mechanical behavior of these materials, an energy density function is introduced which includes network stretch energy and mixing part. Then, considering functionally-graded properties along the thickness, bending of FG temperature-sensitive hydrogels is solved analytically under plane-strain assumption. Verifying the presented analytical procedure, the results are compared with outcomes of finite-element-method. To solve diverse problems by finite-element-method, UHYPER subroutine has been written and verified in free-swelling problem. Next, the radius, radial stress and tangential stresses are studied by both methods for FG temperature-sensitive hydrogels. Finally, according to the importance of factors such as semi-angle and bending curvature in the industrial designs, these factors are investigated by changing the temperature in range of 320 to 288. Results demonstrate the capability of these material to be implemented in sensors and actuators. In addition, the continuity of stresses field is the other reason of utilizing FG hydrogels, while the multi-layer hydrogels do not have continuous stress fields.