一种3D打印磁响应墨水及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种3D打印磁响应墨水及其制备方法和应用，属于3D打印墨水材料技术领域。本发明专利技术所述3D打印磁响应墨水，包含如下重量份的组分：硅橡胶1份、磁性颗粒0.5～6.5份和溶剂0.01～0.3份；所述硅橡胶的粘度范围为1

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印磁响应墨水及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于3D打印墨水材料
，具体涉及一种3D打印磁响应墨水及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]磁响应柔性复合材料是一种新兴的智能材料，因其结合了磁性材料的磁响应性能和柔性基底的良好机械柔韧性，因此其可以在远程磁场下以多自由度进行可精准形状编程，从而实现快速、可逆、无束缚致动。在设计高功率密度致动器方面，磁响应柔性材料展现出卓越性能。此外，磁响应速度快，可以穿透多种常见材料，如空气、水或人体，实现无障碍致动。因此，磁性复合材料可以在狭小和有限的空间内进行响应致动，在药物输送和微创手术领域显示出独特的应用潜力。这些优异的性能和独特的应用潜力为柔性机器人和生物医学领域开辟了新的方向。
[0003]3D打印技术是一种自下而上逐层堆积的制造方法，通过离散
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堆积过程，使材料逐点逐层累积叠加形成三维实体结构。其中，墨水直写(DIW)因其精度范围广、材料扩展性强等特点而广泛的应用于智能材料的3D打印。相较于传统模制法等方法，DIW 3D打印技术能够实现磁响应墨水各组分在三维空间中的均匀分布，并且可通过数字化分配、层层堆叠的方式实现精细复杂三维宏观结构的构建，有望解决磁响应墨水的各组分不均匀分布的问题，同时实现复杂三维柔性结构的构建。
[0004]要实现利用DIW 3D打印技术来制备磁响应复合材料，3D打印磁响应墨水必须要具有足够高的初始黏度并具备剪切稀化特性，即在受到剪切作用时，其粘度能够明显的降低从而顺利的挤出针头，而当剪切力去除之后黏度迅速恢复初始高值而保持三维形状；另外，磁响应墨水在固化后需要优异的力学性能，以满足磁响应复合材料在使用过程中快速、周期性致动。最后，磁响应墨水的必要条件是具有快速磁响应性能的磁性颗粒。在柔性橡胶基底中，引入磁性颗粒并均匀分布构建磁响应复合材料。磁响应复合材料能够在外部施加磁场下实现电磁能向弹性能、动能和热能，从而使得磁响应机器人实现形状变换、动态运动、运输物体、散发热量和信号传感等功能。因此，开发符合要求的3D打印磁响应墨水对制备磁响应复合材料具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种3D打印磁响应墨水及其制备方法和应用。本专利技术提供的3D打印磁响应墨水具有明显剪切变稀行为，具有较好的流变性、触变性和打印精度。该3D打印磁响应墨水经打印固化后，所得成型件具有优异的柔韧性能和力学性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种3D打印磁响应墨水，包含如下重量份的组分：硅橡胶1份、磁性颗粒0.5～6.5份和溶剂0.01～0.3份；所述硅橡胶的粘度范围为1
×
102Pa
·
s～2
×
104Pa
·
s。
[0008]优选地，所述磁性颗粒的粒径范围为3～7μm。
[0009]本专利技术所述3D打印磁响应墨水，当所述硅橡胶的粘度处于100Pa
·
s～20000Pa
·
s时，能够提供3D打印墨水较高的初始黏度，有利于保持高精度的3D打印结构设计，并且在此状态下磁性颗粒与硅橡胶基体具有较好的相容性。当使用的硅橡胶的粘度过小时，打印到基板的线条会坍塌，难以逐层堆积叠加形成三维实体结构；粘度过大时，与磁性颗粒混合后磁响应墨水会趋向于更大的粘度，打印过程中需要更大的分配气压，甚至会堵塞喷嘴。
[0010]磁性颗粒的加入，使硅橡胶基体具有优异的磁响应特性。本专利技术所述溶剂，可以较好地溶解硅橡胶基体中添加的交联剂，使3D打印磁响应墨水具有适合3D打印的流变性能以及固化速度，防止打印过程墨水快速固化而堵塞打印喷嘴，从而提高磁响应墨水的打印精度和打印速度。同时溶剂使硅橡胶基体与磁性颗粒易于形成质地均匀相，制得的3D打印磁响应墨水具备良好的相容性。
[0011]本专利技术以特定的硅橡胶、磁性颗粒和溶剂配方，以及特定的组分配比制得的所述3D打印磁响应墨水，赋予了3D打印磁响应墨水极高的打印精度，使得最终打印固化的成型件具有优异的力学性能和磁响应特性。硅橡胶与磁性颗粒以特定的比例配合，使得硅橡胶基体与磁性颗粒能够充分分散，制得3D打印磁响应墨水具备良好的稳定性和可打印性。当添加的磁性颗粒过多、橡胶含量较少时，磁性颗粒之间粘接不充分，得到疏松多孔的结构，力学性能下降明显；当磁性颗粒较少时，材料的最大磁感应强度较小，不满足在较弱的磁场中发生明显的致动效果。
[0012]优选地，所述3D打印磁响应墨水，包含如下重量份的组分：硅橡胶1份、磁性颗粒3份和溶剂0.15份。
[0013]优选地，所述硅橡胶为单组份室温硫化硅橡胶、双组份室温硫化硅橡胶中的至少一种；所述磁性颗粒为铁单质、NdFeB、Fe3O4、Fe2O3、铁硅合金、铁镍合金中的至少一种；所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、丙酮中的至少一种。
[0014]优选地，所述硅橡胶为单组份室温硫化硅橡胶；所述磁性颗粒为NdFeB；所述溶剂为二氯甲烷。
[0015]优选地，所述单组份室温硫化硅橡胶为单组份室温硫化硅橡胶SI 595CL，所述硅橡胶粘度为1.7
×
104Pa
·
s。
[0016]专利技术人通过实验发现，双组份室温硫化硅橡胶Ecoflex 00
‑
10、Ecoflex 00
‑
30、PDMS
‑
S184等因粘度较低无法满足打印要求。
[0017]当本专利技术选用的硅橡胶为单组份室温硫化硅橡胶SI 595CL时，单组份室温硫化硅橡胶SI 595CL具有与生物体相匹配的模量，具有较好的触变性和剪切变稀行为，有利于挤出打印，可以防止打印过程堵塞喷嘴；同时，单组份室温硫化硅橡胶SI 595CL具备较好的高弹性和保真性，在打印挤出后保持形状不变，提高了打印精度，并可以实现三维立体打印或跨度打印而不会坍塌，有利于应用在柔性致动器和柔性机器人领域。
[0018]NdFeB是硬磁材料，具有高剩磁的特性，其在达到磁饱和后，即使在没有磁场的情况下也能保持高剩余磁通密度，此外，NdFeB具有高矫顽力，有助于硬磁材料在低于矫顽磁场强度的外加磁场中维持高剩余磁通密度。本专利技术中磁性NdFeB颗粒的加入，使得硅橡胶基体具有优异的磁响应特性，实现快速磁响应驱动。
[0019]本专利技术中选用溶剂为二氯甲烷时，在混合过程中，可以降低单组份室温硫化硅橡胶的粘度，减缓其固化速度，使得墨水的固化速度与打印速度相匹配，同时促进磁性NdFeB颗粒与基体硅橡胶形成均匀相，提高3D打印磁响应墨水的稳定性，确保墨水的可打印性，提高了打印精度。
[0020]第二方面，本专利技术提供了上述3D打印磁响应墨水的制备方法，包括如下步骤：
[0021](1)将硅橡胶和溶剂混合均匀，得到第一触变性糊状物；
[0022](2)将第一触变性糊状物和磁性颗粒混合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印磁响应墨水，其特征在于，包含如下重量份的组分：硅橡胶1份、磁性颗粒0.5～6.5份和溶剂0.01～0.3份；所述硅橡胶的粘度范围为1
×
102Pa
·
s～2
×
104Pa
·
s。2.如权利要求1所述的3D打印磁响应墨水，其特征在于，包含如下重量份的组分：硅橡胶1份、磁性颗粒3份和溶剂0.15份。3.如权利要求1～2任一项所述的3D打印磁响应墨水，其特征在于，所述硅橡胶为单组份室温硫化硅橡胶、双组份室温硫化硅橡胶中的至少一种；所述磁性颗粒为铁单质、NdFeB、Fe3O4、Fe2O3、铁硅合金、铁镍合金中的至少一种；所述溶剂为二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、丙酮中的至少一种。4.如权利要求3所述的3D打印磁响应墨水，其特征在于，所述硅橡胶为单组份室温硫化硅橡胶；所述磁性颗粒为NdFeB；所述溶剂为二氯甲烷。5.如权利要求1～4任一项所述的3D打印磁响应墨水的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将硅橡胶和溶剂混合均匀，得到第一触变性糊状物；(2)将第一触变性...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭双壮，圣宇，欧兴成，黄嘉琪，黄丹彤，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：