在線留言
3D打印，已經(jīng)成為一種有吸引力的制造技術(shù)，因?yàn)樗谠L問(wèn)幾何復(fù)雜的定制產(chǎn)品方面具有特殊的自由度。然而，其大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，受到其低制造效率(打印速度)和產(chǎn)品質(zhì)量(機(jī)械性能)不足的阻礙。光聚合物超快速3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，緩解了制造效率的問(wèn)題，但典型打印聚合物的機(jī)械性能，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)加工技術(shù)。這是因?yàn)榇蛴∫笙拗屏朔肿釉O(shè)計(jì)朝著實(shí)現(xiàn)高機(jī)械性能的方向發(fā)展。
據(jù)此，浙江大學(xué)謝濤教授、吳晶軍研究員團(tuán)隊(duì)最近報(bào)道3D打印出一根“超級(jí)橡皮筋”，它能拉伸到自身長(zhǎng)度的9倍以上，直徑約1毫米的“身軀”能提起一包10公斤的大米，其性能遠(yuǎn)超其他3D光固化打印彈性體。“超級(jí)橡皮筋”是采用一種新型光敏樹(shù)脂打印的。研發(fā)團(tuán)隊(duì)為這類材料分子設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)可變的化學(xué)鍵，材料能在產(chǎn)品打印成型后通過(guò)加熱形成新的化學(xué)鍵和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而更強(qiáng)更韌。這一進(jìn)展為3D打印技術(shù)突破材料局限，大規(guī)模應(yīng)用于高性能的產(chǎn)品制造帶來(lái)了曙光。
2024年07月03日，相關(guān)論文以題為“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness” 發(fā)表在Nature上。論文的第一作者是浙江大學(xué)杭州科創(chuàng)中心方子正研究員。浙江大學(xué)寧波科創(chuàng)中心吳晶軍研究員與浙江大學(xué)化工學(xué)院謝濤教授為共同通訊作者。研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
“3D打印不一定要以犧牲機(jī)械性能為代價(jià)。” 謝濤教授認(rèn)為，在這項(xiàng)研究中，他們展示了通過(guò)動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)來(lái)解決這對(duì)矛盾的方法，開(kāi)拓了光固化打印強(qiáng)韌材料分子/網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)新思路，克服了3D打印的大規(guī)模應(yīng)用的重要障礙。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為聚合物動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念，還可以用于其他材料的改進(jìn)，為材料設(shè)計(jì)創(chuàng)造更為豐富的想象空間。
彈性和彈性的結(jié)合，使得彈性體在包括汽車、建筑和消費(fèi)品在內(nèi)的廣泛行業(yè)中都是必不可少的。此外，它們?cè)谖⒘黧w、軟機(jī)器人、可穿戴電子產(chǎn)品和醫(yī)療設(shè)備等新興領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。對(duì)于任何應(yīng)用，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度是先決條件。因此，解決軟與強(qiáng)之間看似矛盾的屬性一直是一個(gè)永恒的追求。天然蜘蛛絲具有非凡的強(qiáng)度，為設(shè)計(jì)合成柔軟材料提供了源源不斷的靈感。盡管其獨(dú)特的超結(jié)構(gòu)(β片)難以復(fù)制，但設(shè)計(jì)分層結(jié)構(gòu)的更廣泛原則為設(shè)計(jì)機(jī)械強(qiáng)度高的彈性體提供了有用的提示。然而，上述設(shè)計(jì)原理不能直接用于基于光固化的數(shù)字光處理(DLP) 3D打印。DLP打印需要快速光固化來(lái)實(shí)現(xiàn)必不可少的快速凝膠化。因此，光樹(shù)脂通常含有相當(dāng)數(shù)量的多功能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，這嚴(yán)重限制了分子設(shè)計(jì)的自由度，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的機(jī)械強(qiáng)度。此外，快速固化會(huì)導(dǎo)致不均勻的網(wǎng)絡(luò)形成和殘余應(yīng)力，這也不利于力學(xué)性能。在這里，研究者說(shuō)明使用動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)來(lái)克服打印性能沖突。
這一成果的關(guān)鍵在于化學(xué)設(shè)計(jì)了一種二甲丙烯酸酯DLP前驅(qū)體，其主鏈上含有動(dòng)態(tài)受阻脲和兩個(gè)羧基。該前體分三步合成(圖1a)。低聚聚(四氫呋喃)二醇(分子質(zhì)量為1000)首先與甲苯-2,4-二異氰酸酯反應(yīng)，引入異氰酸酯端基。在第二步中，異氰酸端基進(jìn)一步與二甲基丁酸反應(yīng)，生成具有兩個(gè)懸垂羧酸基的異氰酸端基預(yù)聚物。這里選擇50℃的反應(yīng)溫度，促進(jìn)異氰酸酯與羥基的反應(yīng)，抑制異氰酸酯與羧基的反應(yīng)。第三步，預(yù)聚物與2-(叔丁胺)甲基丙烯酸乙酯反應(yīng)生成DLP前驅(qū)體，并通過(guò)質(zhì)子核磁共振(1H NMR)和傅里葉轉(zhuǎn)移紅外(FTIR)光譜分析證實(shí)其結(jié)構(gòu)。凝膠滲透色譜和1H NMR端基分析測(cè)得的DLP前驅(qū)體的數(shù)平均分子量分別為4277 g mol−1和4740 g mol−1。這兩個(gè)值都符合理論數(shù)平均分子量為4,710 g mol−1。
盡管設(shè)計(jì)機(jī)械性能優(yōu)越的聚合物還有其他既定的原則，但直接將它們應(yīng)用于3D打印是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)閲?yán)格的照片打印要求，包括在光照下快速凝膠化，以及在打印和存儲(chǔ)期間有足夠的容器壽命。盡管如此，它們?yōu)樘娲咝阅?D打印材料的未來(lái)發(fā)展提供了有用的提示?？偟膩?lái)說(shuō)，該研究表明，3D打印不一定會(huì)損害機(jī)械性能，這為其未來(lái)的商業(yè)實(shí)施掃清了一個(gè)主要障礙。
