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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Rheological studies and 3D extrusion-based printing of nanocomposite hydrogels : Estudos reológicos e impressão 3D baseada em extrusão de hidrogéis nanocompósitos
Title Alternative: Estudos reológicos e impressão 3D baseada em extrusão de hidrogéis nanocompósitos
Author: Dávila Sánchez, José Luis, 1986-
Advisor: D'Avila, Marcos Akira, 1972-
Abstract: Resumo: Hidrogéis são materiais poliméricos naturais ou sintéticos que mantêm uma estrutura tridimensional. Eles podem absorver e reter grandes quantidades de água, tornando-os adequados para uma grande variedade de aplicações. Aliado aos processos de manufatura aditiva, o campo de aplicações é amplo. Assim, a avaliação das propriedades reológicas de tintas e biotintas desempenha um papel importante para definir sua composição e estabelecer os parâmetros do processo. Nesta pesquisa, elas foram estudadas para impressão 3D baseada em extrusão. Inicialmente, soluções aquosas de alginato foram analisadas. O modelo de viscosidade de Cross descreveu adequadamente o comportamento de cisalhamento no estado estacionário deste polissacarídeo. Além disso, os resultados obtidos estão em concordância com o comportamento de soluções de polieletrólitos (Ge~cp^3/2). Em seguida, as misturas Laponite/alginato foram analisadas como um estudo de caso. Laponite é um nanosilicato hidrofílico sintético usado como um modificador reológico de soluções à base de água. Quando disperso em água, assume a forma nanodiscos com cargas negativas nas faces e positivas nas bordas se o pH '< ou ='11. Portanto, interações eletrostáticas entre o Laponite e o alginato aniônico influenciam significativamente o comportamento reológico. Concentrações mais elevadas de alginato impediram o efeito modificador de reologia do Laponite. Géis reticulados fisicamente foram obtidos em baixas concentrações de alginato. Seguidamente, em um segundo estudo de caso, foi avaliada a capacidade de impressão e definida a concentração adequada. Um comportamento pseudoplástico descrito pelo modelo de lei das potências de Ostwald-de Waele foi obtido para as maiores concentrações de Laponite. O teste de recuperação da viscosidade demonstrou recuperação instantânea da estrutura, que não apresentou dependência da taxa de cisalhamento. Testes de varredura da amplitude e da frequência demonstraram que a tinta ótima tem um comportamento solid-like. Os testes de impressão 3D foram realizados em um sistema acionado por pistão, que foi desenvolvido para ser compatível com impressoras 3D de projeto aberto. A tinta ótima foi depositada com sucesso. Os géis impressos em 3D foram reticulados para obter hidrogéis de rede simples (SN) e dupla (DN) através de reticulação iônica e iônica- covalente respectivamente. O conjunto de caracterizações realizadas constitui um protocolo para avaliar a capacidade de impressão de tintas e biotintas

Abstract: Hydrogels are natural or synthetic polymeric materials that maintain a three-dimensional structure. They can absorb and retain large amounts of water, making them suitable for several applications. Together with additive manufacturing (AM), the field of applications is broad. Hence, the evaluation of the rheological properties of ink and bio-inks plays an important role in defining their composition and establishing the parameters of the process. In this research, the rheological properties of ink for 3D extrusion-based printing were studied. Initially, alginate aqueous solutions were analyzed. The Cross viscosity model successfully described the steady-state shear behavior of this polysaccharide. Moreover, the scaling behavior was analyzed for the entangled regime and is in good agreement with polyelectrolyte solutions (Ge~cp^3/2). Next, mixtures Laponite/alginate were analyzed as a case study. Laponite is a synthetic hydrophilic nanosilicate used as a rheology modifier of waterborne solutions. When dispersed in water, it takes the form of disk-like particles with negative charges in the faces and positive in the rims if the pH'< or ='11. Then, electrostatic interactions between Laponite and the anionic alginate significantly influence the rheological behavior. Higher alginate concentrations hindered the rheology modifier effect of Laponite. Soft physical gels were obtained at low alginate concentrations. After that, the printability was evaluated in a second case study and a suitable concentration for 3D printing defined. A strong shear-thinning behavior described by the Ostwald-de Waele power-law model was obtained for higher Laponite concentrations. The viscosity recovery test demonstrated an instantaneous structure recovery, which did not present shear rate dependence. Amplitude and frequency sweep tests demonstrated that the optimal ink behaves as a solid-like. 3D printing tests were performed in a piston-driven system that was developed to be compatible with open source 3D printers. The optimal ink was successfully dispensed, and 3D printed gels were crosslinked to obtain single (SN) and double network (DN) hydrogels through ionic and ionic-covalent crosslinking, respectively. The set of characterizations performed constitutes a protocol that can be applied to evaluate the printability of inks and bio-inks
Subject: Reologia
Hidrogel
Impressão tridimensional
Alginatos
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: DÁVILA SÁNCHEZ, José Luis. Rheological studies and 3D extrusion-based printing of nanocomposite hydrogels: Estudos reológicos e impressão 3D baseada em extrusão de hidrogéis nanocompósitos. 2018. 1 recurso online (109 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP.
Date Issue: 2018
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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