福建农林大学邱仁辉教授团队在光固化3D打印软材料领域取得新进展

3D打印科研前沿
2021
09/27
21:04
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来源:高分子科技

水凝胶是由聚合物的物理或化学交联而形成的具有独特三维网络结构的软材料。由于其高度可设计的结构和功能,水凝胶已被广泛应用于仿生材料、柔性可穿戴设备、软体机器人和生物医学组织等领域。近年来,随着3D打印技术的发展,如何快速高效地制备高精度、定制化水凝胶备受关注。然而,目前大多数水凝胶的3D打印只能通过挤出式打印技术制备,这使水凝胶的打印效率和精度受到限制。

福建农林大学邱仁辉教授团队提出利用光固化3D打印技术快速打印高精度水凝胶的策略。水凝胶无法通过光固化3D打印的主要原因在于:水的存在增加聚合物链之间的分子距离,降低单体聚合速度,导致打印过程中无法实现快速的固液分离。尽管在打印油墨中添加化学交联剂可以有效促进三维交联网络的形成,但化学交联会降低水凝胶的韧性和自修复能力。因此,设计了一种基于非共价相互作用的双网络水凝胶,通过形成物理交联实现快速的固液分离。

将聚(丙烯酸(AA)-N-乙烯基-2-吡咯烷酮(NVP))和羧甲基纤维素(CMC)通过氢键和金属配位键等非共价作用力实现物理交联,进而达到快速固液分离的目标。打印的聚(AA-NVP/CMC)水凝胶具有较高的拉伸韧性(3.38 MJ/m3)和优异的自愈能力(应力:81%,应变:91%)。利用光固化3D打印的特点,高效打印了系列高精度可穿戴柔性传感器。

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图1 光固化3D打印水凝胶策略

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图2 打印的高精度可穿戴柔性传感器

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图3 打印并组装的可穿戴柔性传感器

该成果近期以“Photocurable 3D printing of hightoughness and self-healing hydrogels for customized wearable flexible sensors”为题发表在Advanced Functional Materials,博士生吴宇超为论文第一作者,邱仁辉教授和刘文地教授为论文共同通讯作者。


此外,团队基于构筑分子间非共价键结合的策略,突破了以可再生生物质资源——棕榈油为原料打印热塑性弹性体的关键技术。该技术不仅为光固化3D打印热塑性树脂难以实现快速固液分离的难点提供了解决途径,同时也为热带木本棕榈油的高效利用提供一种可行的技术途径和应用基础。

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图4 光固化3D打印棕榈油基弹性体原理

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图5 棕榈油基热塑性弹性体的力学性能

相关成果以题为“H-bonds and metal-ligandcoordination-enabled manufacture of palm oil-based thermoplastic elastomers byphotocuring 3D printing”发表在3D打印领域专业期刊Additive Manufacturing。



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