水凝膠（Hydrogel）,指溶脹的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高分子，即聚合物分子間相互連結(jié)，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙中又填充了液體水介質(zhì)。簡(jiǎn)單地說，水凝膠是由液體水與高分子網(wǎng)絡(luò)所組成的，液體水被高分子網(wǎng)絡(luò)封閉在里面，失去了流動(dòng)性，因此凝膠能像固體一樣顯示出一定的形狀。根據(jù)成膠類型，水凝膠可分為反應(yīng)型、溫敏型、PH 型等不同類型。

   水凝膠體系在形成過程中，會(huì)由液體流動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭チ鲃?dòng)性而有一定彈性的凝膠態(tài)。轉(zhuǎn)變過程中的凝膠點(diǎn)和最后形成的凝膠黏度或強(qiáng)度（黏彈性模量）是一些應(yīng)用場(chǎng)合的關(guān)鍵指標(biāo)。旋轉(zhuǎn)流變儀是研究水凝膠體系的適合設(shè)備，大量的研究報(bào)道，利用旋轉(zhuǎn)流變儀的小振幅振蕩模式，可把一定頻率下（1H 或者 10rad/s）水凝膠體系的黏彈性模量交點(diǎn)作為凝膠點(diǎn)，從而監(jiān)測(cè)水凝膠的成膠過程。凝膠后的強(qiáng)度大小，又可通過黏彈性模量與振蕩形變和頻率關(guān)系表示。

應(yīng)用案例一：某種反應(yīng)型蛋白凝膠的成膠過程

某種水溶性蛋白分子，加入交聯(lián)劑混合均勻后，快速加載到旋轉(zhuǎn)流變儀上，在 37℃會(huì)逐漸形成凝膠。凝膠過程如圖 11 所示，樣品初始狀態(tài)黏性模量 G"大于彈性模量 G’，代表體系為液體流動(dòng)狀態(tài)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)逐步進(jìn)行，G"和 G’出現(xiàn)交點(diǎn)，出現(xiàn)交點(diǎn)的時(shí)間即為樣品在特定頻率下（1Hz）的凝膠點(diǎn)(Gel point)。凝膠點(diǎn)后，G’大于 G"代表彈性三維網(wǎng)絡(luò)的形成。后期模量趨于穩(wěn)定，代表凝膠趨于結(jié)束。隨著反應(yīng)物濃度的提高（濃度 3＞2＞1），凝膠點(diǎn)逐漸加快，30min 后形成的凝膠強(qiáng)度也逐漸提高。HAAKE MARS 系列流變儀擁有高精度的扭矩和位移傳感器，可完整的表征樣品從低黏度液態(tài)（類水）到高強(qiáng)度凝膠（固體）的轉(zhuǎn)變過程。

3種不同反應(yīng)物濃度溶液的凝膠過程

應(yīng)用案例二：溫敏型卡拉膠的可逆成膠過程

   HAAKE MARS 系列流變儀擁有 0.01℃的高控溫精度，-150~600℃的控溫范圍，快速的升降溫速率，可精確測(cè)試凝膠溫度。某些溫敏型水凝膠具有可逆凝膠轉(zhuǎn)變特征。如圖 12 的卡拉膠溶液，溫度較高時(shí)為液態(tài)，降溫后可轉(zhuǎn)變?yōu)殡y以流動(dòng)的凝膠態(tài)（Gel point=40.7℃），升溫又可轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢鲃?dòng)的液態(tài)（63.1℃），再降溫又可逆轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。這種可逆的特性在許多應(yīng)用場(chǎng)合，非常具有實(shí)用價(jià)值。

卡拉膠溶液的可逆溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變          

應(yīng)用案例三：水凝膠的強(qiáng)度特性表征

   除了研究水凝膠的凝膠點(diǎn)（Gel point）、溫敏性等，其凝膠后的強(qiáng)度（Gel strength）更關(guān)系到其是否符合使用性能。水凝膠的強(qiáng)度，一般指其彈性模量 G’和黏性模量 G"與形變和頻率的關(guān)系。其中彈性模量 G’又稱儲(chǔ)能模量，可代表凝膠的剛硬程度，其值越大，凝膠越硬；黏性模量 G"又稱損耗模量，其與 G’的比值可表征凝膠形變后的回彈能力，比值越小，凝膠形變后越易回彈而不至于流動(dòng)。

①線性黏彈區(qū) LVR：凝膠的強(qiáng)度會(huì)與發(fā)生形變的大小有關(guān)系。一般有個(gè)截止形變?chǔ)?/span>0（或者截止應(yīng)力），低于此值，G’和 G"幾乎不變，應(yīng)力和應(yīng)變成正比例，凝膠發(fā)生形變后結(jié)構(gòu)可自行恢復(fù)。但超過此值，凝膠內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)不同程度的破壞，強(qiáng)度降低；形變過大，甚至出現(xiàn)破碎或者流動(dòng)。此截止形變?chǔ)?/span>0（或者截止應(yīng)力）稱線性黏彈區(qū) LVR。如圖 13 為兩種凝膠的 LVR。經(jīng)過 HAAKE Rheowin 軟件自動(dòng)計(jì)算，1 號(hào) LVR 值為 ? = 1.043 % , t = 7.705 Pa，2 號(hào) LVR 為 ? = 42.41 % , t = 130.3 Pa。顯然相對(duì)來說 2 號(hào)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性更強(qiáng)，體系可承受較大形變而不致于破壞。        

兩種凝膠的線性黏彈區(qū) LVR

② 強(qiáng)度大小：凝膠的強(qiáng)度可用頻率掃描來表征。在測(cè)試的頻率范圍內(nèi)(0.1-100 rad/s)，凝膠化的樣品（三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)完整）G’和 G"無交點(diǎn)，G’>G’’，且 G’與頻率的變化關(guān)系不大。如下圖。

某種凝膠的強(qiáng)度測(cè)試

③ 結(jié)構(gòu)破壞與恢復(fù)：許多應(yīng)用場(chǎng)景下（如美容用玻尿酸類凝膠），水凝膠會(huì)發(fā)生較大的形變（超過 LVR），之后其回復(fù)到初始狀態(tài)的能力決定了質(zhì)量的優(yōu)良。此性能可通過躍階振蕩來實(shí)現(xiàn)。先小形變（G’>G"），后大形變（G’<G"），再恢復(fù)到小形變，并且循環(huán)多次，如圖5。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，模量恢復(fù)的多少可表征樣品的結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力。需要注意的是，并不是所有的水凝膠都有此恢復(fù)性能，一些較硬的凝膠（偏固體），大形變后會(huì)直接破碎，無法恢復(fù)，如圖中 gel 的狀態(tài)。

Gel 的結(jié)構(gòu)破壞和恢復(fù)

   利用 HAAKE MARS 系列流變儀可表征水凝膠的成膠過程，包括反應(yīng)性組分隨時(shí)間成膠，溫敏組分隨溫度變化成膠的凝膠點(diǎn)。凝膠后的強(qiáng)度又可通過線性黏彈區(qū)和頻率掃描確定。結(jié)構(gòu)破壞后的恢復(fù)能力也可通過形變（應(yīng)力）躍階振蕩來評(píng)價(jià)。