CN108047621A - 一种高效光触发固化3d打印用材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效光触发固化3D打印用材料，由以下质量份数物质构成：用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质5%—20%、用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体45%—60%、引发剂0.1%—0.6%、交联剂10%—14%、碳酸钙粉0.5%—2.8%、陶瓷颗粒粉1.2%—7.5%、石墨烯纤维3%—10%、尼龙纤维5%—20%、抗氧化剂0.2%—0.8%，余量为去离子水；其制备方法包括混料，反应釜预制，初步反应及引发反应等四个步骤。本发明一方面生产工艺简单易行，制备工艺耗时短、能耗小，制备过程绿色安全，对人体无害、也不会对环境造成二次污染，另一方面在具备水凝胶自身特性的同时，另具备良好的结构强度和韧性，有效满足3D打印成型加工作业的需要。

Description

一种高效光触发固化3D打印用材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效光触发固化3D打印用材料及其制备方法，属3D打印技术领域。
背景技术
目前3D打印技术在模具、零件等众多的加工领域中均得到广泛的应用，但在实际使用中发现，由于水凝胶产品的机械结构相对较差，成型加工工艺复杂，因此导致当前水凝胶产品均无法通过3D打印技术进行特定结构形状工件加工，从而导致当前在组织工程、药物释放、再生医学、微制造等领域中3D打印技术推广应用受到了极大的影响，一方面不利于水凝胶产品加工效率和产品质量提高，另一方面也导致水凝胶产品的生产加工工艺复杂，生产成本相对较高，因此针对这一现状，迫切需要开发一种可有效满足3D打印作业需要的水凝胶材料，以满足实际使用的需要。
发明内容
本发明目的就在于克服上述不足，提供一种高效光触发固化3D打印用材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高效光触发固化3D打印用材料，由以下质量份数物质构成：用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质5％—20％、用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体45％—60％、引发剂0.1％—0.6％、交联剂10％—14％、碳酸钙粉0.5％—2.8％、陶瓷颗粒粉1.2％—7.5％、石墨烯纤维3％—10％、尼龙纤维5％—20％、抗氧化剂0.2％—0.8％，余量为去离子水。
进一步的，所述的用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质为牛血清白蛋白、大豆分离蛋白、卵清蛋白、溶菌酶、酪蛋白、乳白蛋白和角蛋白中的一种中的任意一种。
进一步的，所述的用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体为丙烯酰胺、N，N'-二甲基丙烯酰胺、N-(羟甲基)丙烯酰胺、N-(2-羟乙基)丙烯酰胺、N-(3-二甲氨基丙基)甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸月桂酸酯、甲基丙烯酸异癸酯中的一种或任意两种以上的组合，且当为两种及两种以上组合时，各原料间混合比例为1：95—99。
进一步的，所述的引发剂为2，2-二乙氧基苯乙酮、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基) -2-甲基苯丙酮、1-羟基环己基苯丙酮、2-氧代戊二酸中的任意一种。
进一步的，所述的交联剂为N，N'-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸二乙二醇酯、聚乙二醇二丙烯酸酯中的任意一种
进一步的，所述的碳酸钙、陶瓷颗粒粉均为100—600目的粉末结构，石墨烯纤维、尼龙纤维长度均为0.5—10毫米。
进一步的，所述的抗氧化剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂626中的任意一种。
一种高效光触发固化3D打印用材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，混料，首先将去离子水添加到反应釜内，然后依次将用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质、用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体、引发剂、交联剂添加到去离子水中，通过搅拌设备单向匀速搅拌10—30 分钟，然后静置即可制备得到澄清混合液，其中搅拌速度为500—1500转/分钟；
第二步，反应釜预制，将反应釜内空气通过负压泵排出，使反应釜内形成真空度为-0.1—0.5MPa的真空环境，然后通入常温惰性气体，使反应釜内气压与外界环境气压保持一致，并重复该操作至少三次，使得反应釜内氧气含量不大于1％；
第三步，初步反应，完成第二部作业后，向第二步制备得到的澄清混合液内添加促进蛋白质成胶的助剂并混合均匀，得到澄清混合液，然后将碳酸钙粉、陶瓷颗粒粉、石墨烯纤维、尼龙纤维、抗氧化剂添加到澄清混合液中并搅拌混合均匀，然后将混合液分装到成型模具中，然后对成型模具外表面进行水浴加热至60℃—90℃，并保温10—60分钟，并在加热和保温过程中，对成型模具连同其内部的混合液进行单向匀速搅拌10—30分钟，然后静置即可得到产品毛坯物料，其中搅拌速度为500—1500转/分钟；
第四步，引发反应，完成第三步作业后，对反应釜中制备的产品毛坯物料进行365nm的紫外线光源辐照作业，且连续辐照1—2小时即可得到成品蛋白质凝胶产品。
进一步的，所述的惰性气体为氮气或氩气中的任意一种。
进一步的，所述的促进蛋白质成胶的助剂为表面活性剂及小分子物质中的任意一种，其中使用表面活性剂时，表面活性剂占成型模具内澄清混合液总量 1％—10％，使用小分子物质是，小分子物质占成型模具内澄清混合液总量1％— 15％，所述的表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵其中一种；所述的小分子物质为盐酸胍、脲其中的一种。
本发明一方面生产工艺简单易行，避免了通常制备双网络水凝胶或互穿网络水凝胶必须经过的溶胀过程，制备工艺耗时短、能耗小，制备过程绿色安全，对人体无害、也不会对环境造成二次污染，另一方面在具备水凝胶自身特性的同时，另具备良好的结构强度和韧性，有效满足3D打印成型加工作业的需要，其拉产品伸强度为0.5MPa、拉伸模量为60-800KPa、拉伸应变达到1000-4800。
附图说明
图1为本发明的制备工艺流程图；
图2为本发明拉伸实验的应力-应变曲线图；
图3为本发明实施时具体实施流程示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1—3所示，一种高效光触发固化3D打印用材料，由以下质量份数物质构成：牛血清白蛋白20％、丙烯酰胺45％、2，2-二乙氧基苯乙酮0.5％、N， N'-亚甲基双丙烯酰胺11％、碳酸钙粉2.5％、陶瓷颗粒粉6％、石墨烯纤维5％、尼龙纤维5、抗氧化剂0.5％，余量为去离子水。
本实施例中，所述的碳酸钙、陶瓷颗粒粉均为500目的粉末结构，石墨烯纤维、尼龙纤维长度均为0.5毫米。
本实施例中，所述的抗氧化剂为抗氧剂168。
一种高效光触发固化3D打印用材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，混料，首先将去离子水添加到反应釜内，然后依次将用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质、用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体、引发剂、交联剂添加到去离子水中，通过搅拌设备单向匀速搅拌15分钟，然后静置即可制备得到澄清混合液，其中搅拌速度为600转/分钟；
第二步，反应釜预制，将反应釜内空气通过负压泵排出，使反应釜内形成真空度为0.5MPa的真空环境，然后通入常温氩气气体，使反应釜内气压与外界环境气压保持一致，并重复该操作至少三次，使得反应釜内氧气含量为0；
初步反应，完成第二部作业后，向第二步制备得到的澄清混合液内添加占澄清混合液总量8％的十二烷基磺酸钠，并混合均匀，得到澄清混合液，然后将碳酸钙粉、陶瓷颗粒粉、石墨烯纤维、尼龙纤维、抗氧化剂添加到澄清混合液中并搅拌混合均匀，然后将混合液分装到成型模具中，然后对成型模具外表面进行水浴加热至80℃，并保温50分钟，并在加热和保温过程中，对成型模具连同其内部的澄清混合液进行单向匀速搅拌10分钟，然后静置即可得到蛋白质凝胶毛坯，其搅拌速度为500转/分钟；
第三步，引发反应，完成第三步作业后，对反应釜中制备的蛋白质凝胶毛坯进行，365nm的紫外线光源辐照作业，且连续辐照2小时即可得到成品蛋白质凝胶产品。
实施例2
如图1—3所示，一种高效光触发固化3D打印用材料，由以下质量份数物质构成：牛血清白蛋白20％、丙烯酰胺45％、2，2-二乙氧基苯乙酮0.5％、N， N'-亚甲基双丙烯酰胺11％、碳酸钙粉2.5％、陶瓷颗粒粉1.2％、石墨烯纤维8％、尼龙纤维15％、抗氧化剂0.3％，余量为去离子水。
本实施例中，所述的碳酸钙、陶瓷颗粒粉均为600目的粉末结构，石墨烯纤维、尼龙纤维长度均为1毫米。
本实施例中，所述的抗氧化剂为抗氧剂1010。
一种高效光触发固化3D打印用材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，混料，首先将去离子水添加到反应釜内，然后依次将用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质、用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体、引发剂、交联剂添加到去离子水中，通过搅拌设备单向匀速搅拌10分钟，然后静置即可制备得到澄清混合液，其中搅拌速度为500转/分钟；
第二步，反应釜预制，将反应釜内空气通过负压泵排出，使反应釜内形成真空度为-0.1MPa的真空环境，然后通入常温氮气，使反应釜内气压与外界环境气压保持一致，并重复该操作至少三次，使得反应釜内氧气含量为0；
第三步，初步反应，完成第二部作业后，向第二步制备得到的澄清混合液内添加占澄清混合液总量5％的十二烷基硫酸钠，并混合均匀，得到澄清混合液，然后将碳酸钙粉、陶瓷颗粒粉、石墨烯纤维、尼龙纤维、抗氧化剂添加到澄清混合液中并搅拌混合均匀，然后将混合液分装到成型模具中，然后对成型模具外表面进行水浴加热至90℃，并保温40分钟，并在加热和保温过程中，对成型模具连同其内部的澄清混合液进行单向匀速搅拌20分钟，然后静置即可得到蛋白质凝胶毛坯，其搅拌速度为800转/分钟；
第四步，引发反应，完成第三步作业后，对反应釜中制备的蛋白质凝胶毛坯进行，365nm的紫外线光源辐照作业，且连续辐照1小时即可得到成品蛋白质凝胶产品。
本发明一方面生产工艺简单易行，避免了通常制备双网络水凝胶或互穿网络水凝胶必须经过的溶胀过程，制备工艺耗时短、能耗小，制备过程绿色安全，对人体无害、也不会对环境造成二次污染，另一方面在具备水凝胶自身特性的同时，另具备良好的结构强度和韧性，有效满足3D打印成型加工作业的需要，其拉产品伸强度为0.5MPa、拉伸模量为60-800KPa、拉伸应变达到1000-4800。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种高效光触发固化3D打印用材料，其特征在于，所述的高效耐磨3D打印用高分子材料由以下质量份数物质构成：用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质5％—20％、用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体45％—60％、引发剂0.1％—0.6％、交联剂10％—14％、碳酸钙粉0.5％—2.8％、陶瓷颗粒粉1.2％—7.5％、石墨烯纤维3％—10％、尼龙纤维5％—20％、抗氧化剂0.2％—0.8％，余量为去离子水。
2.根据权利要求1所述的一种高效光触发固化3D打印用材料，其特征在于：所述的用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质为牛血清白蛋白、大豆分离蛋白、卵清蛋白、溶菌酶、酪蛋白、乳白蛋白和角蛋白中的一种中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种高效光触发固化3D打印用材料，其特征在于：所述的用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体为丙烯酰胺、N，N'-二甲基丙烯酰胺、N-(羟甲基)丙烯酰胺、N-(2-羟乙基)丙烯酰胺、N-(3-二甲氨基丙基)甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸十八酯、甲基丙烯酸月桂酸酯、甲基丙烯酸异癸酯中的一种或任意两种以上的组合，且当为两种及两种以上组合时，各原料间混合比例为1：95—99。
4.根据权利要求1所述的一种高效光触发固化3D打印用材料，其特征在于：所述的引发剂为2，2-二乙氧基苯乙酮、2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、1-羟基环己基苯丙酮、2-氧代戊二酸中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种高效光触发固化3D打印用材料，其特征在于：所述的交联剂为N，N'-亚甲基双丙烯酰胺、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二甲基丙烯酸二乙二醇酯、聚乙二醇二丙烯酸酯中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种高效光触发固化3D打印用材料，其特征在于：所述的碳酸钙、陶瓷颗粒粉均为100—600目的粉末结构，石墨烯纤维、尼龙纤维长度均为0.5—10毫米。
7.根据权利要求1所述的一种高效光触发固化3D打印用材料，其特征在于：所述的抗氧化剂为抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂626中的任意一种。
8.一种高效光触发固化3D打印用材料的制备方法，其特征在于：所述的高性能抗形变3D打印用高分子材料的制备方法包括以下步骤：
第一步，混料，首先将去离子水添加到反应釜内，然后依次将用以形成双网络凝胶的第一重网络的蛋白质、用以聚合形成双网络水凝胶的第二重网络的单体、引发剂、交联剂添加到去离子水中，通过搅拌设备单向匀速搅拌10—30分钟，然后静置即可制备得到澄清混合液，其中搅拌速度为500—1500转/分钟；
第二步，反应釜预制，将反应釜内空气通过负压泵排出，使反应釜内形成真空度为-0.1—0.5MPa的真空环境，然后通入常温惰性气体，使反应釜内气压与外界环境气压保持一致，并重复该操作至少三次，使得反应釜内氧气含量不大于1％；
第三步，初步反应，完成第二部作业后，向第二步制备得到的澄清混合液内添加促进蛋白质成胶的助剂并混合均匀，得到澄清混合液，然后将碳酸钙粉、陶瓷颗粒粉、石墨烯纤维、尼龙纤维、抗氧化剂添加到澄清混合液中并搅拌混合均匀，然后将混合液分装到成型模具中，然后对成型模具外表面进行水浴加热至60℃—90℃，并保温10—60分钟，并在加热和保温过程中，对成型模具连同其内部的混合液进行单向匀速搅拌10—30分钟，然后静置即可得到产品毛坯物料，其中搅拌速度为500—1500转/分钟；
第四步，引发反应，完成第三步作业后，对反应釜中制备的产品毛坯物料进行365nm的紫外线光源辐照作业，且连续辐照1—2小时即可得到成品蛋白质凝胶产品。
9.根据权利要求8所述的一种高效光触发固化3D打印用材料的制备方法，其特征在于：所述的惰性气体为氮气或氩气中的任意一种。
10.根据权利要求8所述的一种高效光触发固化3D打印用材料的制备方法，其特征在于：所述的促进蛋白质成胶的助剂为表面活性剂及小分子物质中的任意一种，其中使用表面活性剂时，表面活性剂占成型模具内澄清混合液总量1％—10％，使用小分子物质是，小分子物质占成型模具内澄清混合液总量1％—15％，所述的表面活性剂为十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠或十六烷基三甲基溴化铵其中一种；所述的小分子物质为盐酸胍、脲其中的一种。
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