Influence of the Degree of Swelling on the Stiffness and Toughness of Microgel‐Reinforced Hydrogels

自愈水凝胶 肿胀 的 韧性 刚度 体积分数 材料科学 复合材料 增韧 高分子化学
作者
Michael R. Kessler,Tianyu Yuan,John M. Kolinski,Esther Amstad
出处
期刊:Macromolecular Rapid Communications [Wiley]
卷期号:44 (16) 被引量:11
标识
DOI:10.1002/marc.202200864
摘要

The stiffness and toughness of conventional hydrogels decrease with increasing degree of swelling. This behavior makes the stiffness-toughness compromise inherent to hydrogels even more limiting for fully swollen ones, especially for load-bearing applications. The stiffness-toughness compromise of hydrogels can be addressed by reinforcing them with hydrogel microparticles, microgels, which introduce the double network (DN) toughening effect into hydrogels. However, to what extent this toughening effect is maintained in fully swollen microgel-reinforced hydrogels (MRHs) is unknown. Herein, it is demonstrated that the initial volume fraction of microgels contained in MRHs determines their connectivity, which is closely yet nonlinearly related to the stiffness of fully swollen MRHs. Remarkably, if MRHs are reinforced with a high volume fraction of microgels, they stiffen upon swelling. By contrast, the fracture toughness linearly increases with the effective volume fraction of microgels present in the MRHs regardless of their degree of swelling. These findings provide a universal design rule for the fabrication of tough granular hydrogels that stiffen upon swelling and hence, open up new fields of use of these hydrogels.
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