[发明专利]一种光固化3D打印双网络水凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种光固化3D打印双网络水凝胶及其制备方法和应用，属于水凝胶领域。以生物质资源——羧甲基纤维素为原料，合成纤维素第一网络，并将其与丙烯酸和N‑乙烯基吡咯烷酮共混，在光引发剂的作用下，在波长为405nm的紫外光照射下，打印出双网络水凝胶。本发明简单高效制备出结构可定制的双网络水凝胶，其韧性优良，自修复效果好，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于水凝胶技术领域，具体涉及一种光固化3D打印双网络水凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

水凝胶作为一种具有高可设计性的软材料，在功能性方面已经得到了广泛的研究，但如何在柔性可穿戴传感器等特定领域定制水凝胶却很少被关注。3D打印技术是一种实现水凝胶定制的新手段，最常用的方法是挤出打印，但通常受到打印速度和分辨率的限制。光固化3D打印技术以其高打印速度和分辨率而闻名，然而，水凝胶中的水是限制水凝胶光固化打印的最大挑战，因为水的存在会增加聚合物链之间的距离，从而降低油墨的固化速度，导致打印失败，同时也降低了非共价键的结合力，从而导致水凝胶的自修复等基本功能的丧失。在油墨中加入交联剂是一种理想的加快聚合速率的方法，但过量的交联剂也可能导致水凝胶失去韧性和自修复性。

因此，本发明采用光固化技术打印了以羧甲基纤维素为第一网络聚丙烯酸和N-乙烯基吡咯烷酮共聚物为第二网络的双网络水凝胶。网络中设计了大量的非共价键（氢键和配位键）来诱导或促进聚合物固化，从而取代共价键网络的作用。此外，非共价键的存在有利于保持水凝胶的高韧性和自愈合。最后，通过光固化打印高韧性的定制化水凝胶，可应用于柔性可穿戴传感器。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种光固化3D打印双网络水凝胶及其制备方法和应用，利用生物质资源——羧甲基纤维素为第一网络，丙烯酸和N-乙烯基吡咯烷酮共聚物为第二网络制备双网络水凝胶，解决了高精度水凝胶的定制制备、力学性能差等问题；制得的双网络水凝胶韧性优良，自修复效果好，可用于柔性可穿戴传感器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光固化3D打印双网络水凝胶的制备方法：以羧甲基纤维素水溶液和锌离子形成的配位网络为第一网络，以丙烯酸和N-乙烯基吡咯烷酮共聚物为第二网络，在光引发剂的作用下通过光固化3D打印技术制得所述的双网络水凝胶；所述的光引发剂为苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦；所述的锌离子来源于ZnCl₂溶液。

优选地，所述的第二网络中丙烯酸和N-乙烯基吡咯烷酮的摩尔比为1：1；第一网络与第二网络的质量比为0.4~1：100；光引发剂与第二网络的质量比为1~2：100；所述的ZnCl₂溶液的浓度为0.15mol/L；所述的双网络水凝胶的含水率为30~60%。

第一网络的合成过程为：将羧甲基纤维素在水中溶胀，再加入ZnCl₂溶液使羧甲基纤维素形成配位网络。

将第一网络、丙烯酸和N-乙烯基吡咯烷酮混合物和光引发剂混合均匀后，在波长为405nm的紫外光照射下，通过3D打印技术制得所述的双网络水凝胶。

所述的光固化3D打印双网络水凝胶用于制备柔性可穿戴传感器。

本发明的有益效果在于：

1）本发明制备的双网络水凝胶的是一类含有大量非共价键作用的水凝胶；该类材料具有很高的拉伸应力和应变，还具备优异的自修复性。同时，使用生物基的羧甲基纤维素为原料，开拓了纤维素利用的新方法。

2）本发明通过光固化3D打印制备双网络水凝胶，能够精准地进行形状定制，使制备的水凝胶可以应用于可穿戴柔性传感器。

附图说明