[发明专利]一种水凝胶-弹性体复合3D打印的方法

说明书

一种水凝胶‑弹性体复合3D打印的方法，包括以下步骤；水凝胶方面，先使用去离子水配置液，加入引发剂、交联剂，置于磁力搅拌机上搅拌至所有试剂溶解、加入纳米粘土搅拌溶解，液体粘度增加，得到水凝胶；弹性体方面，使用Ecoflex,将二苯甲酮掺入到熔融弹性体或弹性体预聚液中，通过加热及搅拌的方式使二苯甲酮均匀分散到弹性体中，得到弹性体；将得到的水凝胶和弹性体挤出打印成形，室温预固化2小时，再将水凝胶预聚液挤出打印成形；本发明实现了水凝胶材料与弹性体的复合材料3D打印，且两种材料间具有良好的粘接，适用于大部分弹性体和水凝胶的复合材料打印或粘接，扩展了复合材料3D打印，以及水凝胶在柔性电子、生物材料、可穿戴设备等方面的应用。

技术领域

本发明涉及复合材料制造技术领域，特别涉及一种水凝胶-弹性体复合3D打印的方法。

背景技术

水凝胶由其亲水的高分子网络和大量的水组成。其被广泛用于生物医疗、组织工程、柔性器件、软机器等方面。另一方面，亲疏水复合结构在自然界中也都大量存在，如胃，神经，细胞膜，动物皮肤，植物外皮等。动物胃部由疏水亲水四层结构组成，实现营养吸收功能。神经细胞亲疏水结构实现神经信号传递功能。动植物则由疏水的外皮减少体内水分蒸发，维持体内水分水平。某些动物表皮，如鲨鱼等，通过疏水结构，使其拥有更好的水中游动能力。食品药品生产、化工制造、污染治理等过程中，采用亲油疏水或亲水疏油结构实现各组分的分离。构造亲疏水结构，在生物体、仿生科学、生产生活中具有重要意义。然而，目前构造这类结构的主要方法绝大部分需要先制备弹性体，另制备水凝胶从而实现复合结构，且往往所能构造的结构为简单平面，异质材料之间的粘接强度较弱。另一方面，柔性器件、自然生物所需要和拥有的结构往往具有较为复杂的结构，且各部分之间拥有良好的粘接。

3D打印作为近年来迅速发展的快速有效的构造复杂结构的方法，在工业制造、医疗设备、科学研究等方面发挥越来越重要的作用。3D打印技术能制造出传统浇筑方法难以达到甚至无法实现的复杂结构。目前关于3D打印的报道中，涉及到金属材料，陶瓷材料，石墨烯材料，混凝土材料，树脂，PU，PLA，ABS等高分子材料打印。近年来由于软物质、软材料的发展，硅胶材料、水凝胶材料的3D打印越来越引人注目。然而，目前的打印构件往往为均相单种材料或相似材料，复合材料打印目前尚无较多报道，尤其是异质材料复合打印。其中，最重要的难点在于异质材料之间的良好连接。

目前尝试打印复合柔性材料的相关研究主要有以下两例。

1.Kevin Tian等(Advanced Materials,2017,1604827)用海藻酸钠-聚丙烯酰胺水凝胶在等离子体处理过的PDMS平面上实现打印。先将海藻酸钠与丙烯酰胺单体混合成溶液，加入交联剂MBAA，引发剂α-酮戊二酸，保水剂LiCl，促进剂TEMED。再将溶液挤出到等离子体处理过的PDMS平面上。最后在UV下照射，形成海藻酸钠-聚丙烯酰胺凝胶。该研究中，整个3D打印环境需处于氩气环境，仅报道在平面的PDMS上打印非立体的结构，且粘接性能未研究。

2.Ghazaleh Haghiashtiani等(Extreme Mechanics Letters,2018.02.002)先制备好平面的硅胶密封胶弹性体，再使用二苯甲酮的乙醇溶液浸泡弹性体表面，然后将调节好的AAm水凝胶预聚液挤出在处理后的弹性体平面上，使用紫外光照射使水凝胶交联同时水凝胶与弹性体形成粘接。其后，为了形成介电结构，使用密封胶将上下表面连接，最终形成上下具有不同刚度的DEA(dielectric elastomer actuator)结构.

以上复合柔性材料打印都需要先制备好弹性体，并对弹性体进行表面处理，步骤较复杂。且弹性体只能被制备成平面，打印后的复合结构也不具备复杂三维结构，而更偏向于二维结构。且两种材料间的粘接性能前者未强调，后者未系统研究。因此真正的亲疏水(此处为水凝胶和弹性体)的复合材料3D打印未实现，且需求迫切。

发明内容