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    西安交通大学与哈佛大学教授合作研发软结构3d打印强韧粘接技术

    www.3ddyjsw.com | 发布:07-23 | 编辑: 3D打印技术网 | [点击收藏本文]

    亲疏水复合结构在自然界中广泛存在,如植物表层、细胞膜、神经轴突等。例如细胞质和细胞外基质是亲水性和导电性,而髓鞘是疏水性和绝缘的,亲水性和疏水性物质的结合能够使有髓轴突作为电信号的传输线。近年来,这种生物结构激发了合成亲水/疏水结构的发展,其中基于水凝胶/弹性体的人造亲疏水软结构取得了明显进展,然而其构造仍较为简单,无法媲美天然结构。作为快速成型技术,3D打印可用于复杂软结构的制备,不过面临着一大挑战:多材料打印结构的界面粘接性能极差。这是由于水凝胶中含有大量的水,水分子使得水凝胶传递很小的力,所以水凝胶与任何材料的粘接力都很小甚至跟相同的水凝胶。

    近日,西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室、航天航空学院软机器实验室研究人员与美国工程院院士、哈佛大学锁志刚教授合作提出一种软结构3D打印的强韧粘接技术,实现了具有超强界面粘接的水凝胶/弹性体亲疏水异质结构的打印。

    3d打印水凝胶和弹性体结构的粘接方法图解

    图1 一种打印水凝胶和弹性体结构的粘接方法; a)在打印过程中,两种墨水按任意顺序挤出在重力和毛细作用下保持形状; b)在固化过程中,每个网络内部形成共价键交联,两个网络之间形成共价键交联。

    3d打印结构的机械性能图解

    图2 打印结构的机械性能;a)具有共价键的水凝胶弹性体晶格在压缩作用下恢复原状;b)没有共价键得水凝胶和弹性体压缩后失稳无法恢复原状;c)具有共价键的弹性体和水凝胶蜂窝结构受到弯曲时仍能保持粘接

    该课题组将联接引发剂溶于弹性体材料中,分别调节弹性体预聚液和水凝胶预聚液的粘度,将两者以任意顺序打印在一起,然后引发聚合反应,形成具有强韧粘接的水凝胶/弹性体复合体。该课题组通过测试打印出的结构机械性能来确定结构质量。在交联引发剂作用下,水凝胶弹性体晶格结构在压缩作用下不发生脱粘,恢复初始形状。而没有交联引发剂水凝胶弹性体晶格在压缩作用下发生粘接,无法恢复初始形状。该课题组还打印了相互连接的水凝胶和弹性体蜂窝结构在压缩下,蜂窝结构会弯曲但仍能保持附着。不同于常规的表面改性,采用本体改性的策略,打印试样的粘接能可达5000J/m2以上。

    该方法适用于多种水凝胶和弹性体,适用于光引发和热引发策略,适用于其他的制备过程,为软结构的3D打印提供了一种通用的解决方案,在可拉伸器件、软机器等领域具有良好的应用前景。

    参考文献:

    Hang Yang, Chenghai Li,et al. Printing Hydrogels and Elastomers in Arbitrary Sequence with Strong Adhesion[J]. Advanced Functional Materials,2019,3,20191721.

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