一种3D液滴打印机及其制备悬浮液滴的方法与流程

本发明涉及微乳液领域，具体涉及一种利用3d液滴打印机制备悬浮液滴的方法。

背景技术：

悬浮液滴是一种油性液滴长期稳定悬浮在水相之中的微乳液，其中油相可包含各种油性成分，可广泛应用于新型材料加工，开发新产品应用于化妆品、医药、食品等领域。传统通过剪切方法制备的悬浮液滴体系，存在多个问题。首先通过剪切方法制备的体系，无法对分散过程进行准确控制，易形成相分离，导致油相在水相中的比例较低，难以提高。其次通过剪切方法制备的体系，其液滴粒径不一、分散不均、位置无序，限制其在开发新材料和设计新产品中的应用，本发明采用3d液滴打印技术，能够对液滴大小和位置进行精准控制，制备特定结构的悬浮液滴体系，对材料和产品进行精准设计，增强功能可视化效果，扩大其应用范围。

在本发明中利用一种以数字模型文件为基础，通过逐层打印的方式来构造物体的熔融沉积式3d打印技术。3d打印技术可以将复杂的三维模型转化为一系列简单的二维制造，因而可以在不用模具的情况下可以生成任意复杂的模型。

本发明把传统熔融沉积式3d打印机的耗材进给机构改造为控制液体流量的压力控制机构，如注射泵或者蠕动泵，将液体通过打印喷头在水凝胶中打印出粒径均一的液滴。与通过剪切方法制备悬浮液滴相比，3d打印机制备悬浮微液滴能精确控制油性液滴在三维空间的位置，通过油性液滴的特定排列优化油相和水相的比例，另外控制每个液滴在三维空间位置可以打印出特定形状的三维模型，拓展了该技术在各个领域中的应用。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于3d打印技术制备悬浮液滴的方法，解决了传统的以微流控技术制备悬浮液滴难以提高油相占比的难题，该方法简便易行并可获得大小均一、位置可控的液滴，并可根据具体需求制备由液滴组成的特定形状的三维模型，该技术在化妆品、工艺品等领域中具有广泛的应用前景。

为实现上述目的，本发明提供如下解决方案：

本发明首先公开了一种制备悬浮液滴的3d打印机，包括三维移动打印系统，所述的三维移动打印系统包括z轴升降平台、x轴移动机构、y轴移动机构和打印喷头，x轴移动机构、y轴移动机构用于带动所述打印喷头实现xy平面内的移动；所述的z轴升降平台用于实现待打印区域与打印喷头之间z轴方向距离的调节；所述的3d打印机还包括压力控制机构和导管；所述的压力控制机构通过导管与打印喷头相连。

本发明以水平面为xy平面，z方向为垂直与所述水平面的方向，且以水平向右为x轴正方向，水平向前为y轴正方向，竖直向上为z轴正方向。

优选的，所述的压力控制机构为注射泵或蠕动泵。

优选的，所述的3d打印机还包括用于容纳水相的箱体；所述的箱体设置在z轴升降平台，由z轴升降平台调节所述箱体在z轴方向的高度；所述箱体位于打印喷头下方。

本发明还公开了一种所述3d打印机的悬浮液滴制备方法，包括以下步骤：

1)将具有剪切变稀的材料溶解到水中，得到透明的水凝胶状液体作为水相，选取一种或多种油性物质混合作为油相；

2)将水相放置在z轴升降平台上，压力控制机构用于提供动力将油相通过打印喷头挤出；

3)通过x轴移动机构、y轴移动机构带动打印喷头在xy平面内的移动，通过z轴升降平台实现待打印区域与打印喷头之间z轴方向距离的调节，从而控制3d打印机上的打印喷头的运动轨迹，控制压力控制机构的工作状态，从而剪切油相得到分散到水相中的液滴。

优选的，所述的剪切变稀材料可以为卡波姆或黄原胶。

优选的，所述的打印喷头是一个细长型的空心圆柱，一端与导管相连，另一端作为喷嘴。

优选的，所述的打印喷头运动轨迹是打印喷头移动到水相中一个位置时先停顿，然后压力控制机构挤出定量的油相体积，等待定量的油相体积全部挤出后再移动到下一个位置。

优选的，所述的油性物质可以为蚕丝油、羊绒酯或维生素e中的一种或者几种混合。

本发明还公开了通过控制打印喷头的移动轨迹得到由微液滴组成的特定形状的三维模型。

本发明还公开了根据所述的3d液滴打印机及其制备悬浮液滴，所述的液滴可以被精确控制其粒径大小和空间位置，采用特定的液滴空间排布方式可以最大优化水相和油相的配比。另外采用以数字模型文件为基础3d打印技术，可以根据需求制备出由液滴组成的特定形状的三维模型。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出一种基于3d液滴打印机制备悬浮微液滴体系，该方法简便易行，微液滴粒径均一可控，可对体系进行精准设计和控制。

(2)本发明采用3d打印技术，是以数字模型文件为基础，可以根据需求制备出由液滴组成的具有特定三维形状的悬浮微液滴体系。传统通过剪切方法制备的体系，其液滴粒径不一、分散不均、位置无序、易形成相分离。3d液滴打印技术能够对液滴大小和位置进行精准控制，制备特定结构的悬浮液滴体系，在实际生产中具有广泛的应用前景。

(3)传统通过剪切方法制备的体系，无法对分散过程进行准确控制，易形成相分离，导致油相在水相中的比例较低，难以提高。本发明提出3d打印制备悬浮微液滴体系，通过精确控制每个液滴位置实现液滴的最优排列，可大幅度提高油相在悬浮微液滴体系中的比例，最高可达74％。

(4)本发明采用3d液滴打印可以精准控制微液滴大小，优化油相与水相的比例，打印出由油相液滴组成的具有特定形状的三维模型。通过选取相应油相可以开发和设计相应材料产品，例如采用蚕丝油等对皮肤有益的油相，可开发和设计功能可视化的化妆品。再例如采用可聚合油相单体，通过3d液滴打印设计密堆积结构，将油相单体聚合形成颗粒，颗粒间相互连接，可得到由颗粒组成的材料模型。

附图说明

图1为利用改装后的3d打印机制备悬浮微液滴。

图2为制备由悬浮微液滴组成的以简单立方排列的液滴模型。

图中：1、注射泵，2、导管，3、打印喷头，4、步进电机，5、容器，6、水相溶液、7串行接口线。

图3为制备有悬浮微液滴组成的球形和倒映四角锥型的液滴模型。

具体实施方式

参照附图1，采用本发明的方法制备步骤如下：

下面结合附图1和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提供了一种3d打印机及其在水凝胶中制备悬浮液滴的方法，通过3d打印机来控制液滴的粒径大小和空间位置，如图1所示，该3d打印机由注射泵1、导管2、打印喷头3、步进电机4、容器5组成。3d打印是一种以数字模型文件为基础的技术，通过数字模型文件可以控制打印机三维运动系统和注射泵的推进量。将打印喷头浸没到水凝胶中。打印喷头移动到某个位置时，停顿几秒，然后注射泵进给定量的油相体积，油相在打印喷头处形成微球，等待定量油相全部被挤出，然后再移动打印喷头，在剪切力的作用下，得到悬浮在水凝胶中的液滴。

下面举实施例说明本发明，但本发明并不限于下述的实施例。

实施例1：制备由液滴组成的圆柱体。

采用本发明的方法制备悬浮液滴，具体步骤如下：

(1)将传统的熔融沉积式3d打印机的控制耗材进给的电路通过串行接口连接到注射泵控制系统上。选取内径为0.33mm、外径0.63mm、长度为15mm的针头作为打印喷头，打印喷头与注射泵通过pe管连接输送油相液体。

(2)将卡波姆940溶解到水中，调节ph到7。得到澄清的水凝胶作为水相。选用异壬酸异壬酯作为油相。

(3)用菌种瓶盛放水相，然后将菌种瓶放置在z轴平台上。

(4)通过编写数字模型文件控制3d打印机工作进程，得到由油相液滴组成的三维圆柱体模型。

实施例2：制备由液滴组成的具有特定三维形状的悬浮微液滴体系。

(1)如实施例1所示，搭建3d液滴打印机，准备油相和水相材料，将水相放入烧杯中，然后将烧杯放置在z轴平台上。

(2)通过编写数字模型文件控制3d打印机工作进程，得到由油相液滴组成的三维球形模型和倒映四角锥模型(如图3所示)。