强韧水凝胶可控变形结构的3D打印研究

摘要

水凝胶由于其自身材料特性而具有较好的生物相容性，在组织工程、智能结构以及生物医药等领域有着巨大的应用前景。随着高分子学科的发展以及实际应用的需求，大量学者开始对可响应强韧水凝胶进行研究。然而传统加工手段得到的水凝胶结构多为块状及薄膜结构，形状较为简单，变形单一，响应速度较慢，难以满足实际应用需求。3D打印的出现及发展为水凝胶提供了一种新的加工方式。本论文针对强韧水凝胶可控变形结构的3D打印实现展开探究，从水凝胶的选用及制备、3D打印强韧水凝胶可控变形结构的方法、水凝胶大变形的数值模拟分析及一种新型3D打印供液装置的构建四个方面阐述相关工作。 本论文第一部分介绍传统水凝胶前驱液聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)(P(AAc-co-AAm))高分子共聚溶液以及盐敏水凝胶前驱液聚(丙烯酸-co-N-异丙基丙烯酰胺)(P(AAc-co-NIPAm))高分子共聚溶液的制备及其固化过程。然后探究了两种水凝胶的打印性能及粘结性能，提出一种可提高两种材料粘结性能的3D打印方法，并通过规划3D打印扫描路径的方法实现对打印结构变形的控制。最后3D打印一个“手爪”结构，测量其能够提供的输出力证明本论文变形结构具有优秀的力学性能。 第二部分主要探究如何利用有限元方法对水凝胶的大变形进行数值模拟分析，对实验难以预测最终变形结果的三种可响应温敏水凝胶变形结构进行数值模拟分析。分析结果与实验结果高度一致，为水凝胶大变形的数值模拟分析提供思路。 第三部分构建一套水凝胶溶液的新型精密供液装置。此部分为了解决高分子水凝胶难以挤出以及挤出胀大的问题提出了一种基于韦森堡效应的供液方法。该供液方法利用高分子溶液特有的韦森堡效应，使水凝胶溶液沿旋转针芯流出，有效避免了挤出胀大问题，适用于高粘弹水凝胶溶液，同时可提高打印精度，扩大打印范围。 本论文对强韧水凝胶可控变形结构3D打印的完整过程进行了详细研究。针对该水凝胶可控变形结构，本论文提供了一种有限元数值模拟分析方法，从而实现对变形结果的预测、验证、分析及指导实验设计。最后为了提高水凝胶打印精度，本构建了一套适用于高分子水凝胶溶液的供液装置。本论文对水凝胶可控变形结构的加工工艺及分析方法进行了系统的探究，为水凝胶的可控变形提供了思路。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．1水凝胶概述

1．1．2可响应水凝胶

1．1．3强韧水凝胶

1．2国内外研究现状

1．2．1非3D打印实现水凝胶可控变形结构研究现状

1．2．2 3D打印实现水凝胶可控变形结构研究现状

1．3课题主要研究内容

第2章3D打印实现强韧水凝胶可控变形结构

2．1实验方法

2．2实验结果与讨论

2．2．1强韧水凝胶的3D打印

2．2．2力学性能与粘结性能

2．2．3 NaCl溶液浓度对混合水凝胶的影响

2．2．4可控变形结构的3D打印实现

2．3“手爪”结构设计案例

2．4本章小结

第3章强韧水凝胶可控变形结构数值模拟分析

3．1实验与数值模拟方法

3．1．1材料及性能表征

3．1．2数值模拟方法

3．2结果与分析

3．2．1模拟参数确定

3．2．2模拟结果与分析

3．3本章小结

第4章基于韦森堡效应的供液系统

4．1韦森堡效应简介

4．2韦森堡效应供液研究现状

4．3基于韦森堡效应供液系统实验设备

4．4实验方法

4．5实验结果与讨论

4．6 3D打印平台改进

4．7本章小结

5．1全文总结

5．2研究展望

参考文献

攻读硕士期间科研成果