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想知道那些神奇的水凝胶是怎么形成的吗？它们如何从流动的液体变成有弹性的凝胶？还有，你知道水凝胶的强度、可逆成胶过程以及破坏后的恢复能力都是怎么测试的吗？今天，我们就来深入探讨一下水凝胶的这些奥秘。
水凝胶（Hydrogel），指溶胀的三维网状结构高分子，即聚合物分子间相互连结，形成空间网状结构，而在网状结构的孔隙中又填充了液体水介质。
水凝胶体系在形成过程中，会由液体流动态转变为失去流动性而有一定弹性的凝胶态。转变过程中的凝胶点和最后形成的凝胶强度是一些应用场合的关键指标。旋转流变仪是研究水凝胶体系的最理想设备。
某种水溶性蛋白分子，加入交联剂混合均匀后，快速加载到旋转流变仪上，在37℃会逐渐形成凝胶。凝胶过程如图1所示，样品初始状态黏性模量G”大于弹性模量G’，代表体系为液体流动状态。随着时间的延长，反应逐步进行，G”和G’出现交点，出现交点的时间即为样品在特定频率下（1Hz）的凝胶点(Gel point)。凝胶点后，G’大于G”代表弹性三维网络的形成。后期模量趋于稳定，代表凝胶趋于结束。随着反应物浓度的提高（浓度3＞2＞1），凝胶速度逐渐加快，30min后形成的凝胶强度也逐渐提高。
图1、3种不同反应物浓度溶液的凝胶过程
（点击查看大图）
某些温敏型水凝胶具有可逆凝胶转变特征。如图2的卡拉胶溶液，温度较高时为液态，降温后可转变为难以流动的凝胶态（Gel point=40.7℃），升温又可转变为易流动的液态（63.1℃），再降温又可逆转变为凝胶。这种可逆的特性在许多应用场合，非常具有实用价值。
图2、卡拉胶溶液的可逆溶胶-凝胶转变
（点击查看大图）
水凝胶的强度，指其弹性模量G’和黏性模量G”与频率的关系。其中弹性模量G’又称储能模量，可代表凝胶的刚硬程度，其值越大，凝胶越硬；黏性模量G”又称损耗模量，其与G’的比值可表征凝胶形变后的回弹能力，比值越小，凝胶形变后越易回弹而不至于流动。模量的具体值要符合特定应用场景的要求，如人体皮肤的弹性模量约105~106 Pa。模量与频率的关系可反映凝胶化的程度，如完全凝胶化的样品（三维网状结构完整），在测试的频率范围内(0.1-100 rad/s)，G’>G’’，且G’与频率的变化关系不大。如下图3。
图3、某种凝胶的强度测试（点击查看大图）
许多应用场景下（如玻尿酸类凝胶、自修复人体组织），水凝胶会发生较大的形变（超过线性黏弹区LVR），之后恢复到初始状态的能力决定了质量的优良。此性能可通过跃阶振荡来表征。先小形变（G’>G”），后大形变（G’<G”），再恢复到小形变，并且循环多次，如图4。实验结束后，模量恢复的多少可表征样品的结构恢复能力。
图4、Gel 1的结构破坏和恢复（点击查看大图）
利用HAAKE MARS系列流变仪可表征水凝胶的成胶过程，包括反应性组分随时间成胶，温敏组分随温度变化成胶的凝胶点。凝胶后的强度又可通过频率扫描确定。结构破坏后的恢复能力也可通过形变（应力）跃阶振荡来评价。
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