CN107216660A - 一种3d打印高拉伸强度水凝胶及其制备方法和应用 - Google Patents

一种3d打印高拉伸强度水凝胶及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种3D打印高拉伸强度水凝胶及其制备方法和应用。采用的技术方案是：将明胶、海藻酸钠加入二次蒸馏水中，加热溶解，得A液。氮气保护下，将交联剂、丙烯酰胺、光引发剂加入到A液中，充分混合、溶解，在50℃下反应4h，保温静置1h，得目标产物，将目标产物装入3D打印机，按数字模型文件打印成型，成型产品放入光固化设备中进行光固化，最后浸入氯化钙水溶液中交联。本发明制备的凝胶具有高拉伸强度，可制造复杂形体结构。本发明适用于直写型3D打印。

Description

一种3D打印高拉伸强度水凝胶及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于3D打印增材制造领域，具体涉及到一种直写型3D打印水凝胶材料及其制备方法。
背景技术
水凝胶是以水为分散介质的凝胶，具有亲水基团，是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能被水溶胀但不溶于水的聚合物。水凝胶在自然界中分布广泛，各种生物体内都存在大量水凝胶材料，如人体肌肉，海参体壁等。随着科学的发展，水凝胶作为一种新型功能高分子材料越来越受到人们的青睐。自从1960年Wichterle和Lim首次以甲基丙烯酸羟乙酯为原料合成水凝胶后，关于水凝胶的研究便进入高速发展时期。现在水凝胶已经成为高分子材料科学的重要分支，特别是医疗、制药等相关领域，水凝胶表现出巨大的应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种可供3D打印成型的水凝胶，该种水凝胶的原料简单，合成条件温和，产品可用于材料化学等领域。
本发明实现目的的技术方案是：一种3D打印高拉伸强度水凝胶，由明胶、天然多糖、交联剂、聚合单体、光引发剂和二次蒸馏水制成。
上述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，按重量比，明胶10-20份、天然多糖0.5-1.5份、交联剂0.03-0.07份、聚合单体5-10份、光引发剂1-2份、二次蒸馏水70-85份。
上述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，所述的天然多糖为海藻酸钠。
上述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，所述的交联剂为N,N′-亚甲基双丙烯酰胺。
上述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，所述的聚合单体为丙烯酰胺。
上述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，所述的光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
一种3D打印高拉伸强度水凝胶的制备方法，包括如下步骤：将明胶和海藻酸钠加入二次蒸馏水中，加热溶解，得混合溶液；在氮气保护下，将交联剂、丙烯酰胺、光引发剂加入到混合溶液中，45-55℃下反应4-5小时，充分混合、溶解；保温静置，除气泡，得目标产物。
上述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶在3D打印中的应用。方法如下：将上述的3D打印高拉伸强度水凝胶，转移到3D打印机料筒中，调节打印机温度至20-30℃，按数字模型文件打印成型，成型后产品放入光固化设备中，于紫外光源下进行光固化，光固化后成型产品浸入氯化钙溶液中浸泡。优选的，所述的氯化钙溶液的浓度为2-5％。
本发明，利用明胶高温溶解，低温冷凝作为3D打印成型材料，丙烯酰胺与2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮光固化聚合形成高分子网络，海藻酸钠与氯化钙反应形成交联体系。本发明所得水凝胶具有多组分、多重作用网络结构。
本发明的有益效果是：
1.本发明的制备方法容易，操作简单。
2.本发明的水凝胶由3D打印成型，成型效果好。
3.本发明制备出的水凝胶，拉伸强度大。
附图说明
图1是3D打印的高拉伸强度水凝胶的复杂结构图以及试验拉扯图。
图2是实施例4中制备的3D打印高拉伸强度水凝胶的拉力测试初始图。
图3是实施例4中制备的3D打印高拉伸强度水凝胶的拉力测试过程图。
图4是实施例4中制备的3D打印高拉伸强度水凝胶的拉力测试断裂图。
图5是实施例4中制备的3D打印高拉伸强度水凝胶的压力测试初始图。
图6是实施例4中制备的3D打印高拉伸强度水凝胶的压力测试断裂图。
图7是实施例4中制备的3D打印高拉伸强度水凝胶的3D打印过程图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本申请作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定的，不能以此限定本申请的保护范围。
实施例1
制备方法：将明胶10g、海藻酸钠0.9g加入到83.05g二次蒸馏水中，于50℃加热溶解，得A液。在氮气保护下，将0.05g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、5g丙烯酰胺、1g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到A液中，充分混合，50℃反应4小时直到澄清透明淡黄色溶胶，保温静置1小时，除去溶胶中的气泡，得到淡黄色3D高拉伸强度水凝胶。
应用：将制备的3D高拉伸强度水凝胶倒入3D打印机料筒中，装入打印机进行打印，调节打印机温度至20-30℃，按数字模型文件打印成型，成型后产品放入光固化设备中，于紫外光源下进行光固化，光固化后成型产品浸入3wt％氯化钙溶液中浸泡15分钟。标记为样品1#，测得拉力强度为0.0635Mpa，压力强度为0.3190Mpa，溶胀率为7.27。
实施例2
制备方法：将明胶12g、海藻酸钠0.9g加入到81.05g二次蒸馏水中，于50℃加热溶解，得A液。在氮气保护下，将0.05g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、5g丙烯酰胺、1g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到A液中，充分混合。50℃反应4小时直到澄清透明淡黄色溶胶，保温静置1小时，除去溶胶中的气泡，得到淡黄色3D高拉伸强度水凝胶。
应用：将制备的3D高拉伸强度水凝胶倒入3D打印机料筒中，装入打印机进行打印，调节打印机温度至20-30℃，按数字模型文件打印成型，成型后产品放入光固化设备中，于紫外光源下进行光固化，光固化后成型产品浸入3wt％氯化钙溶液中浸泡15分钟。标记为样品2#，测得拉力强度为0.0855Mpa，压力强度为0.4265Mpa，溶胀率为6.98。
实施例3
制备方法：将明胶15g、海藻酸钠0.9g加入到78.05g二次蒸馏水中，于50℃加热溶解，得A液。在氮气保护下，将0.05g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、5g丙烯酰胺、1g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到A液中，充分混合、溶解。50℃反应4小时直到澄清透明淡黄色溶胶，保温静置1小时，除去溶胶中的气泡，得到淡黄色的3D高拉伸强度水凝胶。
应用：将制备的3D高拉伸强度水凝胶，倒入3D打印机料筒中，装入打印机进行打印，调节打印机温度至20-30℃按数字模型文件打印成型，成型后产品放入光固化设备中，于紫外光源下进行光固化，光固化后成型产品浸入3wt％氯化钙溶液中浸泡15分钟。标记为样品3#，测得拉伸强度为0.0910Mpa，压力强度为0.4625Mpa，溶胀率为6.65。
实施例4
制备方法：将明胶18g、海藻酸钠0.9g加入到72.05g二次蒸馏水中，于50℃加热溶解，得A液。在氮气保护下，将0.05g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、8g丙烯酰胺、1g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到A液中，充分混合、溶解。50℃反应4小时直到澄清透明淡黄色溶胶，保温静置1小时，除去溶胶中的气泡，得到淡黄色的3D高拉伸强度水凝胶。
应用：将制备的3D高拉伸强度水凝胶倒入3D打印机料筒中，装入打印机进行打印，调节打印机温度至20-30℃，按数字模型文件打印成型，成型后产品放入光固化设备中，于紫外光源下进行光固化，光固化后成型产品浸入3wt％氯化钙溶液中浸泡15分钟。标记为样品4#，测得拉力强度为0.1070Mpa，压力强度0.5850Mpa，溶胀率为6.18。
实施例5
制备方法：将明胶20g、海藻酸钠0.9g加入到73.05g二次蒸馏水中，于50℃加热溶解，得A液。在氮气保护下，将0.05g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、5g丙烯酰胺、1g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到A液中，充分混合、溶解。50℃反应4小时直到澄清透明淡黄色溶胶，保温静置1小时，除去溶胶中的气泡，得到淡黄色的3D高拉伸强度水凝胶。
应用：将制备的3D高拉伸强度水凝胶，倒入3D打印机料筒中，装入打印机进行打印，调节打印机温度至20-30℃，按数字模型文件打印成型，成型后产品放入光固化设备中，于紫外光源下进行光固化，光固化后成型产品浸入3wt％氯化钙溶液中浸泡15分钟。标记为样品5#，测得拉力强度为0.1410Mpa，压力强度为0.6959Mpa，溶胀率为5.99。
实施例6
制备方法：将明胶10g、海藻酸钠0.9g加入到78.05g二次蒸馏水中，于50℃加热溶解，得A液。在氮气保护下，将0.05g N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、8g丙烯酰胺、1g 2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到A液中，充分混合、溶解。50℃反应4小时直到澄清透明淡黄色溶胶，保温静置1小时，除去溶胶中的气泡，得到淡黄色的3D高拉伸强度水凝胶。
应用：将制备的3D高拉伸强度水凝胶倒入3D打印机料筒中，装入打印机进行打印，调节打印机温度至20-30℃，按数字模型文件打印成型，成型后产品放入光固化设备中，于紫外光源下进行光固化，光固化后成型产品浸入3wt％氯化钙溶液中浸泡15分钟。标记为样品6#，测得拉力强度为0.1220Mpa，压力强度为0.3505Mpa，溶胀率为7.80。

Claims (10)

1.一种3D打印高拉伸强度水凝胶，其特征在于：由明胶、天然多糖、交联剂、聚合单体、光引发剂和二次蒸馏水制成。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，其特征在于：按重量比，明胶10-20份、天然多糖0.5-1.5份、交联剂0.03-0.07份、聚合单体5-10份、光引发剂1-2份、二次蒸馏水70-85份。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，其特征在于：所述的天然多糖为海藻酸钠。
4.根据权利要求1所述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，其特征在于：所述的交联剂为N,N′-亚甲基双丙烯酰胺。
5.根据权利要求1所述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，其特征在于：所述的聚合单体为丙烯酰胺。
6.根据权利要求1所述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶，其特征在于：所述的光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮。
7.一种3D打印高拉伸强度水凝胶的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将明胶和海藻酸钠加入二次蒸馏水中，加热溶解，得混合溶液；在氮气保护下，将交联剂、丙烯酰胺、光引发剂加入到混合溶液中，45-55℃下反应4-5小时，充分混合、溶解；保温静置，除气泡，得目标产物。
8.权利要求1所述的一种3D打印高拉伸强度水凝胶在3D打印中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，方法如下：将权利要求1所述的3D打印高拉伸强度水凝胶转移到3D打印机料筒中，调节温度至20-30℃，按数字模型文件打印成型，成型后产品放入光固化设备中，于紫外光源下进行光固化，光固化后成型产品浸入氯化钙溶液中浸泡。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述的氯化钙溶液的浓度为2-5％。
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