一种可4D打印温敏性水凝胶弹性体亲疏水材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种可4D打印温敏性水凝胶弹性体亲疏水材料及其制备方法和应用，通过两亲性的光引发剂2959在界面处的扩散使亲水性水凝胶与疏水性弹性体分子链之间互连得到三维制品，制品可发生在变化温度的水刺激下自发可控的变形运动。本发明专利技术的制备过程不仅操作简便，可通过3D打印构造复杂的3D形状结构，并且制件可随环境变化，性能敏感，可作为水下4D软体机器人新材料的应用。体机器人新材料的应用。体机器人新材料的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种可4D打印温敏性水凝胶弹性体亲疏水材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及高分子材料领域，具体说是一种可4D打印温敏性水凝胶
‑
弹性体亲疏水材料的制备方法和应用。

技术介绍

[0002]4D打印是指利用3D打印技术与可编程的材料，制造出在预定刺激下(如水、温度、电、光等)可自我变换物理属性(如形态、颜色、导电性等)的三维物体。受生物体的皮肤
‑
肌肉组织启发，皮肤作为哺乳动物第一道天然屏障，通过分泌油脂，防止皮肤水分蒸发，同时与肌肉组织紧密连接；肌肉组织则受自主神经支配，在外界环境刺激下发生收缩等应激反应；皮肤与肌肉组织力学性能相匹配可以保护组织不易损伤。其中，在智能聚合物材料当中，亲水性的水凝胶具有类似肌肉组织的结构与性能，且具备良好的生物组织相容性，但在空气中易脱水导致组份流失与损伤；而橡胶弹性体作为一种常用的疏水性高分子材料，具有高弹性、高韧性及高稳定性等特点，橡胶弹性体与水凝胶二者结合构件类似于人体皮肤与肌肉组织的功能，一方面可以防止水凝胶水份流失和基体损伤；另一方面融合了橡胶弹性体和水凝胶优点的软复合材料在软机器人及组织工程学等领域具有广泛的应用前景。但目前，将水凝胶和弹性体材料二者结合起来，得到具备良好力学性能适配性且可随外部环境变化实现三维变形的材料还未有报道。为了使4D打印的水凝胶
‑
弹性体亲疏水材料可以在外部温度变化刺激下自发三维变形，需要满足以下条件：1、前驱体溶液易挤出并在一定条件下固化，实现材料的可打印性；2、疏水的橡胶弹性体与亲水的水凝胶具有良好的粘接性能(水环境下粘附能大于200J/m2)；3、水凝胶需要具有良好的温度敏感性能；4、水凝胶与弹性体力学性能相匹配(水凝胶拉伸强度大于102kPa，应变大于100％，双向弯曲角度均超过15
°
)。
[0003]邵珠峰等(CN110978508A)专利技术了一种硅胶3D打印装置及方法，通过设置运动模块，可以实现硅胶的快速打印。李学锋等(CN108276522A)专利技术的铁离子双交联海藻酸盐
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聚丙烯酰胺丙烯酸高性能水凝胶，通过浸泡三价的铁离子，使经过紫外灯光照固化的3D打印水凝胶支架具有优异的性能。这两种3D打印方法操作简便，分别适用于多种水凝胶和橡胶弹性体材料当中；通过设计打印厚度、尺寸等参数，可以使橡胶弹性体和水凝胶材料二者的力学性能相匹配。但这两种方法无法将水凝胶与硅橡胶亲疏水材料有效的结合在一起，难以实现弹性体和水凝胶之间的强粘接，也实现不了在在预定刺激下可自我变换物理属性。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决上述技术问题，提供一种粘结强度较高，且在温度刺激下可自发三维变形的可4D打印温敏性水凝胶
‑
弹性体亲疏水材料的制备方法和应用。
[0005]技术方案的具体步骤如下：
[0006]一种可4D打印温敏性水凝胶
‑
弹性体亲疏水材料的制备方法，具体步骤如下：
[0007]1)将聚2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸钠(PNaAMPS)粉末、N
‑
异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、丙烯酰胺(AAm)、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)、两亲性光引发剂2
‑
羟基
‑4‑
(2
‑
羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮(光引发剂2959)加入去离子水中，遮光的条件下搅拌均匀得到聚2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸钠(PNaAMPS)/聚N
‑
异丙基丙烯酰胺
‑
共
‑
丙烯酰胺P(NIPAM
‑
co
‑
AAm)温敏性双网络水凝胶预打印液(T
‑
DN预打印液)；
[0008]2)将硅橡胶弹性体预聚液、光引发剂2959、气相二氧化硅粉末混合搅拌均匀，脱泡机搅拌脱泡，得到均匀混合的硅橡胶弹性体Si
‑
E预打印液；
[0009]3)将步骤2)所得到的Si
‑
E预打印液使用3D打印机打印，室温下避光静置使之初步固化，得到Si
‑
E打印层；
[0010]4)避光条件下，将步骤1)所得到的T
‑
DN预打印液使用3D打印机打印到步骤3)所得的Si
‑
E打印层上，将得到的预成型的三维制品光照交联，得到温度敏感性T
‑
DN/Si
‑
E材料。
[0011]进一步地，步骤1)所述PNaAMPS粉末由化学交联的聚2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸钠(PNaAMPS)水凝胶干燥后粉碎得到，粉末颗粒尺寸为10～200μm。
[0012]进一步地，所述PNaAMPS水凝胶中单体2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸(AMPS)的摩尔浓度为1mol/L，氢氧化钠(NaOH)的摩尔浓度为1～1.25mol/L，MBAA的摩尔浓度为0.01～0.012mol/L，引发剂2
‑
酮戊二酸的摩尔浓度为0.01～0.012mol/L。
[0013]进一步地，步骤1)所得T
‑
DN预打印液中，PNaAMPS的质量浓度为0.01～0.1g/mL，NIPAM的摩尔浓度为2～3.5mol/L，AAm的摩尔浓度为0.5～2mol/L。
[0014]进一步地，步骤1)所得T
‑
DN预打印液中，MBAA的摩尔浓度为0.009～0.012mol/L，光引发剂2959的摩尔浓度为0.001～0.0013mol/L。
[0015]进一步地，步骤2)中，硅橡胶弹性体组分为美国Smooth
‑
On生产的Ecoflex 00
‑
30硅橡胶，其中A液与B液质量比为1：1。
[0016]进一步地，步骤2)所得Si
‑
E预打印液中，光引发剂2959的摩尔浓度为0.003～0.0035mol/L。
[0017]进一步地，步骤2)所得Si
‑
E预打印液中，气相二氧化硅的质量分数为3～5％。
[0018]进一步地，步骤3)中，避光静置初步固化的时间为1～1.5小时；步骤4)中，紫外灯下光照的条件为：在波长为365nm、功率为15W的紫外灯下光照时间10小时。
[0019]进一步地，Si
‑
E打印层与光照交联后的T
‑
DN层厚度之比为0.3～1。
[0020]本专利技术还提供一种可4D打印温敏性水凝胶
‑
弹性体亲疏水材料，采用上述的方法制备得到。
[0021]本专利技术还提供上述可4D打印温敏性水凝胶
‑
弹性体亲疏水材料在软机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可4D打印温敏性水凝胶
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弹性体亲疏水材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：1)将聚2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸钠(PNaAMPS)粉末、N
‑
异丙基丙烯酰胺(NIPAM)、丙烯酰胺(AAm)、N,N
‑
亚甲基双丙烯酰胺(MBAA)、两亲性光引发剂2
‑
羟基
‑4‑
(2
‑
羟乙氧基)
‑2‑
甲基苯丙酮(光引发剂2959)加入去离子水中，遮光的条件下搅拌均匀得到聚2
‑
丙烯酰胺基
‑2‑
甲基丙磺酸钠(PNaAMPS)/聚N
‑
异丙基丙烯酰胺
‑
共
‑
丙烯酰胺P(NIPAM
‑
co
‑
AAm)温敏性双网络水凝胶预打印液(T
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DN预打印液)；2)将硅橡胶弹性体预聚液、光引发剂2959、气相二氧化硅粉末混合搅拌均匀，脱泡机搅拌脱泡，得到均匀混合的硅橡胶弹性体Si
‑
E预打印液；3)将步骤2)所得到的Si
‑
E预打印液使用3D打印机打印，室温下避光静置使之初步固化，得到Si
‑
E打印层；4)避光条件下，将步骤1)所得到的T
‑
DN预打印液使用3D打印机打印到步骤3)所得的Si
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E打印层上，将得到的预成型的三维制品光照交联，得到温度敏感性T
‑
DN/Si<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学锋，许丹妮，张高文，舒凡，李坚，陈晗予，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：