食鹽在熱固性材料3D打印中的妙用

來源：東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

熱固性材料由于其出色的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和耐化學(xué)性被廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶和能源等各種產(chǎn)業(yè)中。然而熱固性材料的加工成型相對困難，大大限制了其應(yīng)用。3D打印技術(shù)是近年來新興的先進(jìn)加工手段，因其可快速高效地制造精細(xì)復(fù)雜的立體結(jié)構(gòu)，方便個(gè)性化定制的特點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域均展示出了良好的應(yīng)用前景。如果能夠3D打印熱固性材料必將大大擴(kuò)寬其應(yīng)用。但是大多數(shù)熱固性材料的成型都需要一個(gè)較長的交聯(lián)過程，難以匹配3D打印連續(xù)化的制造方式。因此目前熱固性材料的3D打印主要限于光敏樹脂，對于大多數(shù)的熱固性材料尚不能進(jìn)行有效的3D打印。

▲3D打印熱固性材料策略的設(shè)計(jì)理念及多樣化應(yīng)用

東華大學(xué)纖維材料改性重點(diǎn)國家實(shí)驗(yàn)室的游正偉教授團(tuán)隊(duì)提出了一種新穎的策略，有效地解決了這一難題。相關(guān)成果以《一種3D打印熱固性材料的通用策略及其多樣化應(yīng)用》(“A general strategy of 3D printing thermosets for diverse applications”)為題，發(fā)表于材料學(xué)領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊《Materials Horizons》。

該策略的核心是大家再熟悉不過的鹽，他們巧妙地將鹽粒和熱固性材料預(yù)聚物結(jié)合為復(fù)合打印墨水。在打印過程中鹽粒起到增稠劑的作用，保證順利打印成型；同時(shí)在熱固化過程中，鹽粒起到增強(qiáng)劑的作用，實(shí)現(xiàn)打印的三維立體結(jié)構(gòu)在高溫高真空交聯(lián)過程中保形；固化成型后，鹽�？梢苑奖愕乇凰�溶解除去，從而又作為致孔劑獲得了多孔的結(jié)構(gòu)。該策略具有良好的通用性，可以實(shí)現(xiàn)多種熱固性材料例如交聯(lián)聚酯、聚氨酯、環(huán)氧樹脂的直接擠出式3D打印，打印出來的結(jié)構(gòu)還具有常規(guī)3D打印難以獲得的微孔。

以熱固性彈性體為例，開展了應(yīng)用研究。利用打印彈性體對溶劑的大尺寸溶脹效應(yīng)和微孔結(jié)構(gòu)高效吸附與解吸作用，構(gòu)建了可反復(fù)循環(huán)響應(yīng)的氣體傳感器。同時(shí)利用3D打印個(gè)性化定制的優(yōu)勢構(gòu)建了梯度化結(jié)構(gòu)的彈性溶劑驅(qū)動(dòng)器，可對溶劑即時(shí)響應(yīng)并發(fā)生大尺度的形變，在軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。進(jìn)而和上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院的趙強(qiáng)和葉曉峰教授團(tuán)隊(duì)合作，證實(shí)所打印的三維補(bǔ)片可有效治療心肌梗塞。該工作為3D打印熱固性材料提供了簡便高效通用的新策略，拓寬了3D打印的應(yīng)用范圍，有望構(gòu)筑一系列新型的三維功能材料，在多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。


3D打印熱固性材料策略的設(shè)計(jì)理念及多樣化應(yīng)用

▲3D打印柔性驅(qū)動(dòng)器

東華大學(xué)博士生雷東為論文的第一作者，東華大學(xué)游正偉教授和上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院的趙強(qiáng)教授和葉曉峰教授為共同通訊作者。莫秀梅教授、何創(chuàng)龍教授、朱波教授為論文的共同作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。

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https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/mh/c8mh00937f
DOI: 10.1039/C8MH00937F

來源：東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院