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水凝胶-聚合物的多材料打印技术

更新时间: 2021-08-03 16:00:22  查看次数: 128    
单一水凝胶的应用已经不能满足更为广泛的实际需求,将水凝胶与其他功能性材料组合在一起更能取长补短。因此发展水凝胶-聚合物的多材料打印技术有着非常重要的实际意义。水凝胶经常与其他材料结合形成相应的复合结构,从而弥补水凝胶材料在具体应用中暴露的一些缺点,同时水凝胶材料的优点也能弥补其他材料的劣势。

水凝胶材料中通常含有大量的水分子,如果将其暴露在空气中,水凝胶会因为失水而导致材料性能的改变。Yuk等提出了一种简单而通用的方法使弹性体和水凝胶结合起来,随后他们用这种稳定的水凝胶-弹性体混合材料探索多种应用,包括抗失水凝胶、可拉伸的微流控芯片和可拉伸水凝胶电路板。


离子水凝胶是一种可拉伸的导电材料,并广泛的运用于柔性电子器件中。导电的离子水凝胶在使用时需要介电层或者封装层的保护,为了不让其丧失原本的可拉伸性,很多研究者选择将水凝胶和介电柔性材料结合在一起。Kaplinger等将透明的导电水凝胶与介电高弹体驱动器结合在一起制作出可覆盖整个可听范围的柔性扬声器。Larson等将水凝胶作为离子导体,弹性体作为介电层,荧光剂作为发光元素,并通过气压驱动的方式展示了可变色的软体爬行机器人。Tian等将导电水凝胶3D打印在弹性体上,制作成了一个柔性传感器。


与某些承重组织(如韧带和肌腱)相比,水凝胶拥有的力学性能(如低模量)远远不够,因此应用通常受到其弱力学性能的限制。尽管近年来一直在开发高强度、高韧性水凝胶,但要同时兼备高弹性模量、高拉伸性和高韧性的水凝胶合成仍然具有挑战性。Lin等将宏观尺度的纤维增强相和水凝胶结合,设计了一种高度可拉伸、坚韧而又坚硬的水凝胶复合材料。该水凝胶复合材料的断裂能超过30000 J/m2,模量超过6 MPa,即使存在较大的结构缺陷也能拉伸2.8倍以上。Bach等提出了一种新的水凝胶纤维支架作为前交叉韧带的替代品。他们将聚乙烯纤维和聚乙烯醇(PVA)水凝胶相结合并调整纤维的编织结构,最终达到天然前交叉韧带的力学性能。
水凝胶还能与其他功能性材料结合在一起,体现更多的用途。Mao等将水凝胶材料与形状记忆聚合物结合在一起,利用水凝胶的溶胀作为形状变化的驱动力,利用形状记忆聚合物的模量会随温度变化来调节形状。他们通过控制温度和水环境,可以在两种稳定的结构之间进行切换。

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