CN108948379A - 一种3d打印导电水凝胶的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印导电水凝胶的制备方法，能够简单、高效地实现水凝胶的导电性能，通过两步法实现水凝胶的导电，有效地降低了直接制备导电水凝胶化合物中的复杂交联过程，而且制备的水凝胶结构可以通过3D打印获得，大大提高了结构的运用领域，这样也避免了在传统方法中导电填充物混合不均匀的问题，而且该方法只是表面导电，不仅符合运用的导电性要求，而且可以大大节省材料的应用；另外，得到的结构可以在一定程度上实现多次修复的目的，整个制备方法过程简单，可以经过简单训练即可学会，有利于方法在更多的人群中推广使用；本发明方法还可以适用于其他类型的导电聚合物的制备、操作简单，成本低廉，适用于规模化产业应用。
Description
技术领域
本发明涉及电水凝胶技术领域，尤其涉及一种3D打印导电水凝胶的制备方法。
背景技术
导电水凝胶结合了水凝胶和导电两方面的优异性能，在许多方面都极具应用前景。导电水凝胶通常是高度水合的聚合物和导电电活性化合物的均匀组合，这些混合材料将水凝胶特性与导电组分的优点如电导率和电化学氧化还原性质相结合，已经在许多生物领域中得到应用，包括电刺激药物递送，生物传感器和细胞功能的调节。
虽然导电水凝胶已经显示出很好的应用前景，然后它的合成仍是一大挑战。通常，通过在水凝胶基质中引入诸如石墨、金属颗粒或碳纳米管等导电元素可以开发出导电水凝胶。然而，按照这种方法，由于导电网络通常是随机分布在水凝胶基质内导电元件，因此需要相对大量的导电元件来达到良好的导电性能。用于开发导电水凝胶的另一种方法是将固有导电聚合物整合到水凝胶基质内。导电聚合物如聚吡咯，聚-(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)和聚苯胺(PANI)由于存在共轭双键而具有导电能力，因此受到极大兴趣。它们已经被用于一系列生物医学应用，如神经接口，电化学和生物传感器，致动器，药物释放，电极涂层和用于再生医学的组织支架。通过聚合物水凝胶和导电聚合物的组合获得两种材料各自的性能得到导电水凝胶。然而，通过该种方法制备的聚合物涉及到很繁琐的化学交联才能够构筑出结构稳定的新聚合物。
具有特定几何和性质的导电水凝胶的设计和控制制造仍然是一个巨大的挑战。三维(3D)打印是一种增材制造工艺，允许直接从数字模型构建3D物体。数字模型可以来自各种领域，包括电子、再生医学和微流体等等。3D物体在打印的过程中以层叠的方式构建，使得能够设计和创建具有任意定制拓扑和功能的复杂几何对象。目前，最广泛使用的3D打印技术之一是基于光聚合的打印方式。通过选择性地扫描紫外线(UV)激光束穿过光聚合物树脂的储存器，使用已知的添加剂制造技术的立体光刻技术(SLA)来创建具有高精度特征的物体。另一种基于光固化技术的3D打印方法叫数字光处理(DLP)，也是通过光聚合液体树脂实现。DLP设备使用数字投影仪或数字微反射镜器件-DMD(Digital Micromirror Device)来投射物体的整个片段，而不是使用激光器以“SLA”的逐点方式“绘制”物体。SLA和DLP技术都可以提供强大的工具来制造复杂的三位聚合物结构，在其设计和应用中打开无限可能。目前，通过以上两种方法制备的导电水凝胶都无法轻易在这些3D打印机上实现打印的目的。
发明内容
本发明的目的就在于为解决现有技术的不足，本发明的目的在于开发出一种可以3D打印的导电水凝胶，通过将PEGDA水凝胶与界面聚合技术耦合来实现导电的功能。结合3D打印技术，能够简单、高效地制备各种形状的导电水凝胶结构。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明包括以下步骤：
S1、取适量的聚乙二醇二丙烯酸酯与光引发剂和水组成混合物，并加入一定量的染料均匀混合得到可光固化的树脂；
S2、用Solidworks设计蜂窝结构的三维数字模型并转换为STL文件格式，随后用3D打印机打印出设计好的水凝胶结构，取出并清洗晾干；
S3、把结构放入氯化铁的水溶液当中一段时间后，取出；
S4、将吸附了氧化剂的结构放入吡咯单体的溶液中进行氧化聚合反应一段时间，在表面形成一层导电聚合物聚吡咯，随后取出，在水中进行清洗并在水中放置一段时间去除未反应的小分子，取出晾干，即得。
本发明优选的，根据步骤S1，所述的聚乙二醇二丙烯酸酯由聚乙二醇和丙烯酸化合物通过一定的反应制备而成。
本发明优选的，所述的聚乙二醇二丙烯酸酯由聚乙二醇和丙烯酸化合物通过一定的反应制备而成。
本发明优选的，所述聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量在700-1000道尔顿之间。
本发明优选的，根据步骤S1中，所述光引发剂可以是2,4,6-三甲基苯甲酰基、氧化膦、光引发剂819或TPO中的一种或几种。
本发明优选的，根据步骤S4，所述采用的聚合方法为吡咯聚合的化学氧化反应。
本发明优选的，根据步骤S4，所述结构在吡咯单体溶液中的时间可以是40-60分钟。
本发明优选的，根据步骤S2，所述3D打印方式为是SLA、DLP或基于光固化的打印方式。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种3D打印导电水凝胶的制备方法，能够简单、高效地实现水凝胶的导电性能，通过两步法实现水凝胶的导电，有效地降低了直接制备导电水凝胶化合物中的复杂交联过程，而且制备的水凝胶结构可以通过3D打印获得，大大提高了结构的运用领域，这样也避免了在传统方法中导电填充物混合不均匀的问题，而且该方法只是表面导电，不仅符合运用的导电性要求，而且可以大大节省材料的应用；另外，得到的结构可以在一定程度上实现多次修复的目的，整个制备方法过程简单，可以经过简单训练即可学会，有利于方法在更多的人群中推广使用；本发明方法还可以适用于其他类型的导电聚合物的制备、操作简单，成本低廉，适用于规模化产业应用。
附图说明
图1是本发明所述3D打印导电水凝胶的平面结构示意图；
图2是本发明所述3D打印导电水凝胶的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1
如图1和图2所示，一种3D打印导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、取30％的分子量在700道尔顿的PEGDA和70％的水组成混合物，并加入2phr光引发剂以及0.2phr的染料，均匀混合得到可光固化的树脂；
S2、用Solidworks设计蜂窝结构的三维数字模型并转换为STL文件格式，用制备的数值在DLP 3D打印机上把设计好的三维数字模型打印出来，得到聚乙二醇二丙烯酸酯的三维支撑结构，其具有多个不规则孔，孔与孔之间的间距大于100μm；
S3、把打印好的结构用水洗掉表面未固化的树脂，并吹干；
S4、将聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶结构在含有0.3M FeCl3的水溶液中浸渍60分钟，随后将其浸入含有0.5M吡咯单体(Py)的环己烷溶液(CYH)中50分钟进行化学聚合，得到PPy/PEGDA复合导电水凝胶；
S5、最后，将所制备的复合水凝胶从CYH中去除并浸入去离子水中24小时，从复合水凝胶中浸出低分子量组分。
上述得到的导电水凝胶的电阻率为15kΩ/cm，。
实施例2
如图1和图2所示，一种3D打印导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、取40％的分子量在700道尔顿的聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA和60％的水组成混合物，并加入2phr光引发剂以及0.2phr的染料，均匀混合得到可光固化的树脂；
S2、用Solidworks设计蜂窝结构的三维数字模型并转换为STL文件格式，用制备的数值在DLP 3D打印机上把设计好的三维数字模型打印出来，得到聚乙二醇二丙烯酸酯的三维支撑结构，其具有多个不规则孔，孔与孔之间的间距大于100μm；
S3、把打印好的结构用水洗掉表面未固化的树脂，并吹干；
S4、将聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶结构在含有0.3M FeCl3的水溶液中浸渍60分钟，随后将其浸入含有0.5M吡咯单体(Py)的环己烷溶液(CYH)中50分钟进行化学聚合，得到PPy/PEGDA复合导电水凝胶；
S5、最后，将所制备的复合水凝胶从CYH中去除并浸入去离子水中24小时，从复合水凝胶中浸出低分子量组分。
上述得到的导电水凝胶的电阻率为45kΩ/cm。
实施例3
如图1和图2所示，一种3D打印导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、取60％的分子量在700道尔顿的聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA和40％的水组成混合物，并加入2phr光引发剂以及0.2phr的染料，均匀混合得到可光固化的树脂；
S2、用Solidworks设计蜂窝结构的三维数字模型并转换为STL文件格式，用制备的数值在DLP 3D打印机上把设计好的三维数字模型打印出来，得到聚乙二醇二丙烯酸酯的三维支撑结构，其具有多个不规则孔，孔与孔之间的间距大于100μm；
S3、把打印好的结构用水洗掉表面未固化的树脂，并吹干；
S4、将聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶结构在含有0.3M FeCl3的水溶液中浸渍60分钟，随后将其浸入含有0.5M吡咯单体(Py)的环己烷溶液(CYH)中50分钟进行化学聚合，得到PPy/PEGDA复合导电水凝胶；
S5、最后，将所制备的复合水凝胶从CYH中去除并浸入去离子水中24小时，从复合水凝胶中浸出低分子量组分。
上述得到的导电水凝胶的电阻率为3.5MΩ/cm。
实施例4
如图1和图2所示，一种3D打印导电水凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、取60％的分子量在700道尔顿的聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA和40％的水组成混合物，并加入2phr光引发剂以及0.2phr的染料，均匀混合得到可光固化的树脂；
S2、用Solidworks设计蜂窝结构的三维数字模型并转换为STL文件格式，用制备的数值在DLP 3D打印机上把设计好的三维数字模型打印出来，得到聚乙二醇二丙烯酸酯的三维支撑结构，其具有多个不规则孔，孔与孔之间的间距大于100μm；
S3、把打印好的结构用水洗掉表面未固化的树脂，并吹干；
S4、将聚乙二醇二丙烯酸酯水凝胶结构在含有0.3M FeCl3的水溶液中浸渍2小时，随后将其浸入含有0.5M吡咯单体(Py)的环己烷溶液(CYH)中60分钟进行化学聚合，得到PPy/PEGDA复合导电水凝胶；
S5、最后，将所制备的复合水凝胶从CYH中去除并浸入去离子水中24小时，从复合水凝胶中浸出低分子量组分。
上述得到的导电水凝胶的电阻率为2MΩ/cm。
综上所述，本发明提供一种3D打印导电水凝胶的制备方法，能够简单、高效地实现水凝胶的导电性能，通过两步法实现水凝胶的导电，有效地降低了直接制备导电水凝胶化合物中的复杂交联过程，而且制备的水凝胶结构可以通过3D打印获得，大大提高了结构的运用领域，这样也避免了在传统方法中导电填充物混合不均匀的问题，而且该方法只是表面导电，不仅符合运用的导电性要求，而且可以大大节省材料的应用；另外，得到的结构可以在一定程度上实现多次修复的目的，整个制备方法过程简单，可以经过简单训练即可学会，有利于方法在更多的人群中推广使用；本发明方法还可以适用于其他类型的导电聚合物的制备、操作简单，成本低廉，适用于规模化产业应用。
本领域技术人员不脱离本发明的实质和精神，可以有多种变形方案实现本发明，以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。
Claims (8)
1. 一种 3D 打印导电水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、取适量的聚乙二醇二丙烯酸酯与光引发剂和水组成混合物，并加入一定量的染料均匀混合得到可光固化的树脂；
S2、用Solidworks 设计蜂窝结构的三维数字模型并转换为STL 文件格式， 随后用 3D打印机打印出设计好的水凝胶结构，取出并清洗晾干；
S3、把结构放入氯化铁的水溶液当中一段时间后，取出；
S4、将吸附了氧化剂的结构放入吡咯单体的溶液中进行氧化聚合反应一段时间，在表面形成一层导电聚合物聚吡咯，随后取出，在水中进行清洗并在水中放置一段时间去除未反应的小分子，取出晾干，即得。
2.根据权利要求 1 所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，根据步骤S1， 所述的聚乙二醇二丙烯酸酯由聚乙二醇和丙烯酸化合物通过一定的反应制备而成。
3.根据权利要求 2 所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量在 700-1000 道尔顿之间。
4.根据权利要求 1 所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，根据步骤 S1 中，所述光引发剂可以是 2,4,6-三甲基苯甲酰基、氧化膦、光引发剂 819 或TPO 中的一种或几种。
5.根据权利要求 1 所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，根据步骤S4， 所述采用的聚合方法为吡咯聚合的化学氧化反应。
6.根据权利要求 1 所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，根据步骤S4， 所述结构在吡咯单体溶液中的时间可以是 40-60 分钟。
7.根据权利要求 1 所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，根据步骤S2， 所述3D 打印方式为是SLA、DLP 或基于光固化的打印方式。
8.根据权利要求 1 所述的导电水凝胶的制备方法，其特征在于，所述导电水凝胶的导电率在 10 kΩ-5 MΩ/cm。
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20181207 |