【摘 要】
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3D打印自诞生以来得到了迅速的发展,目前已经在生物医学、能源应用、航天航空、军事工程等领域得到了充分的应用。考虑到目前日益加剧的环境压力,传统3D打印材料如金属、陶瓷等在很多应用场合受到了限制,生物质基材料则作为新兴的打印原材料得到了重视,其优异的生物相容性与可降解性,让其在生物医学、人体可穿戴设备等方面具有应用的潜力。木质素是一类复杂的有机聚合物,可以直接从生物质中提取,考虑到我国是林业大国,黑
【基金项目】
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黑龙江省优秀青年基金项目:同源纳米纤维素复合水凝胶支架的直写冷冻3D成型机制及性能研究（YQ2021E002）; 黑龙江省博士后科研启动金项目:纳米纤维素复合水凝胶支架的3D打印机理及性能研究（LBH-Q20060）
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3D打印自诞生以来得到了迅速的发展,目前已经在生物医学、能源应用、航天航空、军事工程等领域得到了充分的应用。考虑到目前日益加剧的环境压力,传统3D打印材料如金属、陶瓷等在很多应用场合受到了限制,生物质基材料则作为新兴的打印原材料得到了重视,其优异的生物相容性与可降解性,让其在生物医学、人体可穿戴设备等方面具有应用的潜力。木质素是一类复杂的有机聚合物,可以直接从生物质中提取,考虑到我国是林业大国,黑龙江拥有丰富的林业资源,木质素来源较广,可以降低制造成本。因此,本文考虑将木质素材料与3D打印技术相结合,设计一台适用于木质素/PVA凝胶打印的3D打印机,研发配套的打印墨水,确定合适的打印工艺流程,进行木质素/PVA凝胶3D打印,对其应用前景进行初步展望。本文首先通过理论研究分析,对比不同交联方式的优缺点与适用场合,选取适合木质素/PVA凝胶成型的双重交联方案,即低温物理交联与化学交联共同作用,实现木质素/PVA凝胶的成型。根据木质素/PVA凝胶的特点,选择挤出式打印方案与冷冻成型方案,并对木质素/PVA凝胶打印系统进行功能需求分析与总体设计。其次针对木质素/PVA凝胶3D打印机机械系统,进行模块划分,对运动模块、挤出模块、冷却成型模块、支撑模块和辅助模块进行了结构设计,对关键的零部件进行分析计算与参数选型。针对木质素/PVA凝胶3D打印机控制系统,划分为主控系统、运动轨迹控制系统、人机交互系统和辅助系统,完成硬件平台的搭建以及软件平台的实现。基于木质素/PVA凝胶冷冻成型对环境温度的需求,本文在传统单制冷片冷却平台的基础上,进行结构改良,增大制冷面积,改善可打印高度,达到木质素/PVA凝胶成型的条件需要。最后以凝胶冷冻成型时间为指标,通过正交试验确定不同组分配比对成型速度的影响,确定最优的打印墨水参数。利用搭建好的打印机样机进行打印工艺的研究,对打印速度、挤出流量以及喷嘴直径进行实验研究,确定最合理的打印工艺方案。根据实验得到的最优打印墨水配比,以及最合理的打印工艺方案,利用打印机样机进行木质素/PVA凝胶实物打印,验证其打印的可靠性。通过电学性能、力学性能的测试,验证其具有作为传感器的潜能,对其未来应用进行了初步展望。
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