一種3D打印高拉伸強度水凝膠及其制備方法和應用與流程

本發明屬于3d打印增材制造領域，具體涉及到一種直寫型3d打印水凝膠材料及其制備方法。

背景技術：

水凝膠是以水為分散介質的凝膠，具有親水基團，是一種高分子網絡體系，性質柔軟，能保持一定的形狀，能被水溶脹但不溶于水的聚合物。水凝膠在自然界中分布廣泛，各種生物體內都存在大量水凝膠材料，如人體肌肉，海參體壁等。隨著科學的發展，水凝膠作為一種新型功能高分子材料越來越受到人們的青睞。自從1960年wichterle和lim首次以甲基丙烯酸羥乙酯為原料合成水凝膠后，關于水凝膠的研究便進入高速發展時期。現在水凝膠已經成為高分子材料科學的重要分支，特別是醫療、制藥等相關領域，水凝膠表現出巨大的應用價值。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種可供3d打印成型的水凝膠，該種水凝膠的原料簡單，合成條件溫和，產品可用于材料化學等領域。

本發明實現目的的技術方案是：一種3d打印高拉伸強度水凝膠，由明膠、天然多糖、交聯劑、聚合單體、光引發劑和二次蒸餾水制成。

上述的一種3d打印高拉伸強度水凝膠，按重量比，明膠10-20份、天然多糖0.5-1.5份、交聯劑0.03-0.07份、聚合單體5-10份、光引發劑1-2份、二次蒸餾水70-85份。

上述的一種3d打印高拉伸強度水凝膠，所述的天然多糖為海藻酸鈉。

上述的一種3d打印高拉伸強度水凝膠，所述的交聯劑為n,n′-亞甲基雙丙烯酰胺。

上述的一種3d打印高拉伸強度水凝膠，所述的聚合單體為丙烯酰胺。

上述的一種3d打印高拉伸強度水凝膠，所述的光引發劑為2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮。

一種3d打印高拉伸強度水凝膠的制備方法，包括如下步驟：將明膠和海藻酸鈉加入二次蒸餾水中，加熱溶解，得混合溶液；在氮氣保護下，將交聯劑、丙烯酰胺、光引發劑加入到混合溶液中，45-55℃下反應4-5小時，充分混合、溶解；保溫靜置，除氣泡，得目標產物。

上述的一種3d打印高拉伸強度水凝膠在3d打印中的應用。方法如下：將上述的3d打印高拉伸強度水凝膠，轉移到3d打印機料筒中，調節打印機溫度至20-30℃，按數字模型文件打印成型，成型后產品放入光固化設備中，于紫外光源下進行光固化，光固化后成型產品浸入氯化鈣溶液中浸泡。優選的，所述的氯化鈣溶液的濃度為2-5％。

本發明，利用明膠高溫溶解，低溫冷凝作為3d打印成型材料，丙烯酰胺與2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮光固化聚合形成高分子網絡，海藻酸鈉與氯化鈣反應形成交聯體系。本發明所得水凝膠具有多組分、多重作用網絡結構。

本發明的有益效果是：

1.本發明的制備方法容易，操作簡單。

2.本發明的水凝膠由3d打印成型，成型效果好。

3.本發明制備出的水凝膠，拉伸強度大。

附圖說明

圖1是3d打印的高拉伸強度水凝膠的復雜結構圖以及試驗拉扯圖。

圖2是實施例4中制備的3d打印高拉伸強度水凝膠的拉力測試初始圖。

圖3是實施例4中制備的3d打印高拉伸強度水凝膠的拉力測試過程圖。

圖4是實施例4中制備的3d打印高拉伸強度水凝膠的拉力測試斷裂圖。

圖5是實施例4中制備的3d打印高拉伸強度水凝膠的壓力測試初始圖。

圖6是實施例4中制備的3d打印高拉伸強度水凝膠的壓力測試斷裂圖。

圖7是實施例4中制備的3d打印高拉伸強度水凝膠的3d打印過程圖。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本申請作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定的，不能以此限定本申請的保護范圍。

實施例1

制備方法：將明膠10g、海藻酸鈉0.9g加入到83.05g二次蒸餾水中，于50℃加熱溶解，得a液。在氮氣保護下，將0.05gn,n′-亞甲基雙丙烯酰胺、5g丙烯酰胺、1g2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到a液中，充分混合，50℃反應4小時直到澄清透明淡黃色溶膠，保溫靜置1小時，除去溶膠中的氣泡，得到淡黃色3d高拉伸強度水凝膠。

應用：將制備的3d高拉伸強度水凝膠倒入3d打印機料筒中，裝入打印機進行打印，調節打印機溫度至20-30℃，按數字模型文件打印成型，成型后產品放入光固化設備中，于紫外光源下進行光固化，光固化后成型產品浸入3wt％氯化鈣溶液中浸泡15分鐘。標記為樣品1#，測得拉力強度為0.0635mpa，壓力強度為0.3190mpa，溶脹率為7.27。

實施例2

制備方法：將明膠12g、海藻酸鈉0.9g加入到81.05g二次蒸餾水中，于50℃加熱溶解，得a液。在氮氣保護下，將0.05gn,n′-亞甲基雙丙烯酰胺、5g丙烯酰胺、1g2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到a液中，充分混合。50℃反應4小時直到澄清透明淡黃色溶膠，保溫靜置1小時，除去溶膠中的氣泡，得到淡黃色3d高拉伸強度水凝膠。

應用：將制備的3d高拉伸強度水凝膠倒入3d打印機料筒中，裝入打印機進行打印，調節打印機溫度至20-30℃，按數字模型文件打印成型，成型后產品放入光固化設備中，于紫外光源下進行光固化，光固化后成型產品浸入3wt％氯化鈣溶液中浸泡15分鐘。標記為樣品2#，測得拉力強度為0.0855mpa，壓力強度為0.4265mpa，溶脹率為6.98。

實施例3

制備方法：將明膠15g、海藻酸鈉0.9g加入到78.05g二次蒸餾水中，于50℃加熱溶解，得a液。在氮氣保護下，將0.05gn,n′-亞甲基雙丙烯酰胺、5g丙烯酰胺、1g2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到a液中，充分混合、溶解。50℃反應4小時直到澄清透明淡黃色溶膠，保溫靜置1小時，除去溶膠中的氣泡，得到淡黃色的3d高拉伸強度水凝膠。

應用：將制備的3d高拉伸強度水凝膠，倒入3d打印機料筒中，裝入打印機進行打印，調節打印機溫度至20-30℃按數字模型文件打印成型，成型后產品放入光固化設備中，于紫外光源下進行光固化，光固化后成型產品浸入3wt％氯化鈣溶液中浸泡15分鐘。標記為樣品3#，測得拉伸強度為0.0910mpa，壓力強度為0.4625mpa，溶脹率為6.65。

實施例4

制備方法：將明膠18g、海藻酸鈉0.9g加入到72.05g二次蒸餾水中，于50℃加熱溶解，得a液。在氮氣保護下，將0.05gn,n′-亞甲基雙丙烯酰胺、8g丙烯酰胺、1g2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到a液中，充分混合、溶解。50℃反應4小時直到澄清透明淡黃色溶膠，保溫靜置1小時，除去溶膠中的氣泡，得到淡黃色的3d高拉伸強度水凝膠。

應用：將制備的3d高拉伸強度水凝膠倒入3d打印機料筒中，裝入打印機進行打印，調節打印機溫度至20-30℃，按數字模型文件打印成型，成型后產品放入光固化設備中，于紫外光源下進行光固化，光固化后成型產品浸入3wt％氯化鈣溶液中浸泡15分鐘。標記為樣品4#，測得拉力強度為0.1070mpa，壓力強度0.5850mpa，溶脹率為6.18。

實施例5

制備方法：將明膠20g、海藻酸鈉0.9g加入到73.05g二次蒸餾水中，于50℃加熱溶解，得a液。在氮氣保護下，將0.05gn,n′-亞甲基雙丙烯酰胺、5g丙烯酰胺、1g2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到a液中，充分混合、溶解。50℃反應4小時直到澄清透明淡黃色溶膠，保溫靜置1小時，除去溶膠中的氣泡，得到淡黃色的3d高拉伸強度水凝膠。

應用：將制備的3d高拉伸強度水凝膠，倒入3d打印機料筒中，裝入打印機進行打印，調節打印機溫度至20-30℃，按數字模型文件打印成型，成型后產品放入光固化設備中，于紫外光源下進行光固化，光固化后成型產品浸入3wt％氯化鈣溶液中浸泡15分鐘。標記為樣品5#，測得拉力強度為0.1410mpa，壓力強度為0.6959mpa，溶脹率為5.99。

實施例6

制備方法：將明膠10g、海藻酸鈉0.9g加入到78.05g二次蒸餾水中，于50℃加熱溶解，得a液。在氮氣保護下，將0.05gn,n′-亞甲基雙丙烯酰胺、8g丙烯酰胺、1g2-羥基-4'-(2-羥乙氧基)-2-甲基苯丙酮加入到a液中，充分混合、溶解。50℃反應4小時直到澄清透明淡黃色溶膠，保溫靜置1小時，除去溶膠中的氣泡，得到淡黃色的3d高拉伸強度水凝膠。

應用：將制備的3d高拉伸強度水凝膠倒入3d打印機料筒中，裝入打印機進行打印，調節打印機溫度至20-30℃，按數字模型文件打印成型，成型后產品放入光固化設備中，于紫外光源下進行光固化，光固化后成型產品浸入3wt％氯化鈣溶液中浸泡15分鐘。標記為樣品6#，測得拉力強度為0.1220mpa，壓力強度為0.3505mpa，溶脹率為7.80。