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3D打印水凝胶的聚合转化率和粘接性能分析

更新时间: 2021-08-04 11:43:02  查看次数: 380    
由于改性后的TPO纳米颗粒和I2959都是水溶性的光引发剂,我们进一步用FTIR研究了由TPO和I2959引发水凝胶的光聚合动力学(详情见实验方法)。在相同的紫外固化条件下,TPO在15秒内引发水凝胶80%的聚合,固化2分钟后达到顶峰,转化率为90%。相比之下, I2959在2分钟内引发水凝胶聚合的转化率只达到10%。基于此,我们的结论是:水溶性的TPO更适用于基于DLP的3D打印,因为该打印方法需要在很短的时间(1分钟内)固化一层材料,而I2959更适用于基于DIW的3D打印,用户可以先打印出结构,并进行后期长时间固化交联。

我们还发现APS-TEMED引发剂几乎能100%转换水凝胶前驱液中的碳-碳双键;相比之下,水溶性的TPO引发的转化率为90%。聚合转化率的差异也反映在交联水凝胶的宏观力学行为上。分别描绘了APS-TEMED和TPO引发的水凝胶的单轴拉伸曲线。关于单轴拉伸试验的细节可以在实验方法中找到。由于聚合转化率较低,交联点较少,TPO引发的水凝胶表现出较低的模量。虽然这种相对较低的聚合转化率削弱了水凝胶的机械性能,但它有利于水凝胶与其他紫外固化(甲基)丙烯酸酯基聚合物的粘接。我们将一个紫外固化的弹性体打印在TPO引发交联的水凝胶样品上。由于水凝胶与弹性体形成强化学键,因此水凝胶-弹性体复合试样可以在拉伸5倍的情况下不产生脱粘。相比之下,紫外固化的弹性体不能与APS-TEMED引发的水凝胶形成牢固的结合,脱粘发生在水凝胶-弹性体复合样品的拉伸过程中。

利用TPO引发的水凝胶的这一优势,我们进一步打印了TPO引发的水凝胶与其他几种不同的紫外固化聚合物,包括Tango弹性体、Vero刚性聚合物、Agilus弹性体、PEGDA、基于甲基丙烯酸酯的形状记忆聚合物、ABS类聚合物。
关于紫外固化聚合物的详细信息可以在实验方法中找到。我们拉伸水凝胶与其他聚合物串联排列的样品。由于其他的聚合物材料模量都比水凝胶大,所以大部分变形都出现在水凝胶部分。因为破坏水凝胶和其他聚合物之间的界面所需的能量大于破坏水凝胶所需的能量,所以破坏不会发生在界面处,而是发生在水凝胶内部,每个样品都是如此。


事实上我们也利用过剥离实验来探究该方法具体的界面强度,但由于破坏从不从界面处产生,而均从水凝胶处产生,所以我们认为测量所得的并不是水凝胶与其他聚合物之间界面的强度,而是水凝胶的强度,即便如此我们还是利用剥离实验给出了该粘接方法的界面强度为70N/m左右。