一种灰度打印变形水凝胶墨水、灰度打印变形水凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于功能材料技术领域，特别涉及一种灰度打印变形水凝胶墨水、灰度打印变形水凝胶及其制备方法和应用。本发明专利技术提供的灰度打印变形水凝胶墨水，以质量份数计，包括以下组分：聚乙二醇二丙烯酸酯70～80份；甲基丙烯酸‑β‑羟乙酯10～20份；甲基丙烯酸‑3‑磺酸丙酯钾盐3～7份；脂肪族类聚氨酯丙烯酸酯3～7份；光引发剂0.3～0.7份；光阻剂0.03～0.07份。实施例测试结果表明，由本发明专利技术提供的灰度打印变形水凝胶墨水得到的灰度打印变形水凝胶，能够实现二维水凝胶薄膜和三维水凝胶结构任意变形设计及制备，具有可大规模制备、可逆转换、可定制任意图案的特点。

Deformed hydrogel ink with gray scale printing, gray printing deformed hydrogel, preparation method and application thereof

【技术实现步骤摘要】
一种灰度打印变形水凝胶墨水、灰度打印变形水凝胶及其制备方法和应用
本专利技术属于功能材料
，特别涉及一种灰度打印变形水凝胶墨水、灰度打印变形水凝胶及其制备方法和应用。
技术介绍
水凝胶是由聚合物和水组成的聚集体，是一类亲水性的三维高分子网络结构凝胶，在水中迅速溶胀并在此溶胀状态可以储存大量的水，但是本身不发生溶解，具有丰富的理化性质和性能可调控性，作为一类重要的软材料，在生物医学、工程制造领域有广泛的应用。目前，水凝胶材料体系中实现水凝胶形状变形的一般方案是通过局部材料的设计赋予水凝胶各向异性，以期在发生溶胀时由于不同层溶胀比的差异使整个水凝胶结构演化成所设计的形状，例如通过双材料3D打印技术制备具有被动层和致动层的双层水凝胶结构，被动层和致动层具有不同的溶胀比，在溶胀情况下由于溶胀不匹配产生应力诱导的形状变形(PNAS，2019,116,20856-20862)；或者，在同一种水凝胶材料中引入微结构，以实现水凝胶结构在溶胀的情况下发生特定的形状变形(Adv.Mater.Technol.2019,1800713)；又或者，还可以向水凝胶中引入温敏性的组分来实现在外界温度调控下实现水凝胶可控变形(Nat.Commun.2013,4,1586)。上述方法虽然能够实现水凝胶可控变形，但是需要设计多种复合水凝胶以及微结构来调控水凝胶的变形过程，并不能实现同一种水凝胶材料，在外界刺激下发生可控变形过程，尤其是在水凝胶局部区域的精准变形。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种灰度打印变形水凝胶墨水及其制备方法，采用本专利技术提供的灰度打印变形水凝胶墨水得到的灰度打印变形水凝胶可以实现局部区域的可控、精准变形；本专利技术还提供了一种灰度打印变形水凝胶及其制备方法和应用。为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种灰度打印变形水凝胶墨水，以质量份数计，包括以下组分：优选的，所述光引发剂包括苯基双(2,4,6三甲基苯甲酰基)氧化膦和/或2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮；所述光阻剂包括Orasol染料或对苯二酚。本专利技术还提供了一种灰度打印变形水凝胶，采用上述技术方案所述的灰度打印变形水凝胶墨水为打印原料经依次进行的灰度打印和溶胀得到。本专利技术还提供了上述技术方案所述灰度打印变形水凝胶的制备方法，包括以下步骤：将所述灰度变形水凝胶墨水进行灰度打印，得到水凝胶初品；所述灰度打印中单层曝光时间独立地为10～80s，曝光灰度为0～70％；将所述水凝胶初品置于水中，进行溶胀，得到灰度打印变形水凝胶。优选的，所述灰度打印为2D打印或3D打印。优选的，所述溶胀的时间为30～60s。优选的，所述灰度打印前还包括对所述灰度变形水凝胶墨水进行除氧处理。本专利技术还提供了上述技术方案所述灰度打印变形水凝胶或上述技术方案所述制备方法制备得到的灰度打印变形水凝胶作为基体材料在柔性电子领域、软体机器人领域和致动器领域中的应用。本专利技术提供了一种灰度打印变形水凝胶墨水，以质量份数计，包括以下组分：聚乙二醇二丙烯酸酯70～80份；甲基丙烯酸-β-羟乙酯10～20份；甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐3～7份；脂肪族类聚氨酯丙烯酸酯3～7份；光引发剂0.3～0.7份；光阻剂0.03～0.07份。在本专利技术中，聚乙二醇600二丙酸酯为墨水低聚物单体，甲基丙烯酸-β-羟乙酯为稀释剂，甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐为亲水性单体，能够提高水凝胶墨水的亲水性，脂肪族类聚氨酯丙烯酸酯为交联剂，能够改善水凝胶材料的力学性能；光引发剂能够引发单体的光固化反应，使得水凝胶墨水形成高分子网络；染料则起到光阻聚作用，提升打印精度。本专利技术通过上述各组分配合作用，使得水凝胶材料可以快速光固化，在不同的曝光灰度和曝光时间条件下具有不同的交联度，使打印制备的水凝胶具有可控的交联梯度和良好的溶胀性能。实施例测试结果表明，由本专利技术提供的灰度打印变形水凝胶墨水得到的灰度打印变形水凝胶，能够实现二维水凝胶薄膜和三维水凝胶结构任意变形设计及制备，具有可大规模制备、可逆转换、可定制任意图案的特点。本专利技术还提供了一种灰度打印变形水凝胶，采用上述技术方案所述的灰度打印变形水凝胶墨水为打印原料经依次进行的灰度打印和溶胀得到。本专利技术利用所述灰度打印变形水凝胶墨水在不同灰度图案条件下，灰度打印变形水凝胶墨水中的单体在助剂(稀释剂、光引发剂和光阻剂)的作用下发生光固化反应，生成聚合物网络；在相同曝光时间下，低灰度曝光区域的聚合物具有高的交联密度，高灰度曝光区域的聚合物具有低的交联密度；在相同灰度曝光下，长曝光时间使得聚合物具有高的交联密度，短曝光时间使得聚合物具有低的交联密度，最终通过二者的协同调控使得不同区域的水凝胶具有不同的溶胀性能，控制不同打印区域水凝胶的交联度，使水凝胶在理化性能方面表现出梯度差异，特别是溶胀性能差异明显，再通过后续具有形变诱导作用的溶胀过程，使水凝胶初品局部区域产生由于溶胀不匹配而产生的内部应力，最终通过内部应力差异驱动水凝胶发生变形。附图说明图1为本专利技术提供的灰度打印变形水凝胶的灰度打印原理示意图；图2为本专利技术实施例2所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图3为本专利技术实施例3所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图4为本专利技术实施例4所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图5为本专利技术实施例5所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图6为本专利技术实施例6所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图7为本专利技术实施例7所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图8为本专利技术实施例8所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图9为本专利技术实施例9所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图10为本专利技术实施例10所得灰度打印变形水凝胶实物照片；图11为本专利技术实施例11所得灰度打印变形水凝胶实物照片。具体实施方式本专利技术提供了一种灰度打印变形水凝胶墨水，以质量份数计，包括以下组分：在本专利技术中，若无特殊说明，所述各组分均为本领域技术人员熟知的市售商品。以质量份数计，本专利技术所述灰度打印变形水凝胶墨水包括70～80份聚乙二醇二丙烯酸酯，优选为72～78份，更优选为74～76份。在本专利技术中，所述聚乙二醇二丙烯酸酯的分子量优选为400～700，更优选为500～600。在本专利技术中，所述聚乙二醇二丙烯酸酯为所述灰度打印变形水凝胶墨水的单体。以聚乙二醇二丙烯酸酯的质量份为基准，本专利技术所述灰度打印变形水凝胶墨水包括10～20份甲基丙烯酸-β-羟乙酯，优选为12～18份，更优选为14～16份。在本专利技术中，所述甲基丙烯酸-β-羟乙酯为稀释剂。以聚乙二醇二丙烯酸酯的质量份为基准，本专利技术所述灰度打印变形水凝胶墨水包括3～7份甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐，优选为4～6份，更优选为4.5～5.5份。在本专利技术中，所述甲基丙烯酸-3-磺酸丙酯钾盐为亲水性单体，有利于提高水凝胶墨水的亲水性。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种灰度打印变形水凝胶墨水，其特征在于，以质量份数计，包括以下组分：/n

【技术特征摘要】
1.一种灰度打印变形水凝胶墨水，其特征在于，以质量份数计，包括以下组分：





2.根据权利要求1所述的灰度打印变形水凝胶墨水，其特征在于，所述光引发剂包括苯基双(2,4,6三甲基苯甲酰基)氧化膦和/或2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮；
所述光阻剂包括Orasol染料或对苯二酚。


3.一种灰度打印变形水凝胶，采用权利要求1或2所述的灰度打印变形水凝胶墨水为打印原料经依次进行的灰度打印和溶胀得到。


4.权利要求3所述灰度打印变形水凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将所述灰度变形水凝胶墨水进行灰度打印，得到水凝胶初品；所述灰...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓龙，张雨欣，蒋盼，刘艳花，周峰，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62