強韌水凝膠的3D打印工藝及機理研究.pdf

1、水凝膠因其獨特的機械性能、優(yōu)良的生物相容性等性質(zhì)，在生物醫(yī)藥、智能材料、新型傳感器等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用空間。而近年來，隨著高強度高韌性水凝膠研究工作的進一步深入，使水凝膠的機械性能得到了顯著提升，應(yīng)用前景更加廣闊。但是隨之而來的難題是高強度高韌性合成水凝膠的交聯(lián)過程普遍比較復(fù)雜，因此，此類水凝膠的成型性和可加工性較差，無法通過傳統(tǒng)的加工工藝制備復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)和器件。借助近幾年3D打印技術(shù)的迅速發(fā)展和成熟，水凝膠材料又增加了一種新型加工方

2、式，解決了原本加工困難的問題。但是，目前要將3D打印應(yīng)用到高強度高韌性水凝膠的制備中還面臨諸多挑戰(zhàn)。基于此背景，本論文主要開展對一種新型高強度高韌性水凝膠的3D打印制備成型研究工作，從水凝膠制備、3D打印平臺搭建、水凝膠3D打印性能研究、水凝膠固化機理研究四個方面闡述了相關(guān)研究工作。
　　本論文首先從一種高強度高韌性聚離子水凝膠(PIC)的合成入手，在已有的相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上改進合成工藝，改善水凝膠的內(nèi)部缺陷，得到了強度和韌性更

3、為突出的N，N，N-三甲基-3-(2-甲基烯丙酰氨基)-1-氯化丙銨/對苯乙烯磺酸鈉(PMPTC/PNaSS)聚離子水凝膠材料。在此基礎(chǔ)上，測定了PIC水凝膠的流變性能以及在壓模加工條件下的拉伸強度、楊氏模量、斷裂應(yīng)變、斷裂能等性能參數(shù)，為3D打印加工方式提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。
　　針對水凝膠3D打印的需求，本論文設(shè)計開發(fā)了一套三維運動平臺和擠出系統(tǒng)，實現(xiàn)了打印噴頭在三維空間中的運動控制和溫度控制。對PIC水凝膠3D打印性能的研究是本論

4、文的重要內(nèi)容。本文從可打印性、打印精度、打印對水凝膠機械性能的影響三個方面介紹了相關(guān)研究工作，并從水凝膠的流變性以及固化速度對實驗結(jié)果進行了解釋。在PIC水凝膠打印性能的研究基礎(chǔ)上，本文還展示了若干復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印結(jié)果和一個典型的打印案例，證明了PIC水凝膠優(yōu)秀的3D打印性能。
　　本論文最后展開了對PIC水凝膠在水中固化行為的研究。水分子在水凝膠溶液中的擴散以及水凝膠溶液中NaCl在水中的擴散最終導(dǎo)致了PIC水凝膠溶液的固化，兩種