德克薩斯州大學(xué)研究人員3D打印定制泡沫，可應(yīng)用于隔熱和減震領(lǐng)域

2025年4月6日，南極熊獲悉，據(jù)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校(UT Dallas) 稱，研究人員發(fā)明了一種 3D 打印泡沫，它比許多日常用品中的聚合物泡沫更耐用、更可回收。

這項(xiàng)研究以題為“3D printable polymer foams withtunable expansion and mechanical properties enabled by catalyst-free dynamiccovalent chemistry”的論文發(fā)表在《RSC Applied Polymers》期刊上，重點(diǎn)是制造一種可以 3D 打印的堅(jiān)固但輕巧的泡沫。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/lp/d4lp00374h

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的博士生、這項(xiàng)研究的共同主要作者麗貝卡·約翰遜說：“這可能是我做過的最長的項(xiàng)目。從開始到結(jié)束，花了兩年多一點(diǎn)的時(shí)間。大部分時(shí)間都在嘗試讓聚合物配方正確，以便與 3D 打印機(jī)兼容�！�

3D 打印工藝讓研究人員能夠制作復(fù)雜的形狀，這些形狀可以在制造應(yīng)用中進(jìn)行定制。為了證明這一概念，他們制作了氣球狗形狀的泡沫。

自然科學(xué)與數(shù)學(xué)學(xué)院化學(xué)與生物化學(xué)副教授、論文的通訊作者 Ron Smaldone 博士說：“本項(xiàng)目的目標(biāo)是解決 3D 打印在制造聚合物泡沫方面的一些局限性。3D 可打印泡沫的主要用途之一是絕緣和減震�！�

Smaldone 表示，隨著研究和實(shí)驗(yàn)的深入，這種泡沫和工藝可用于制造高沖擊吸收物品，如摩托車或橄欖球頭盔、汽車保險(xiǎn)杠或裝甲。他還指出，3D 打印能夠創(chuàng)建更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如細(xì)晶格，這可以增加材料的物理柔韌性，并為應(yīng)用提供更多功能。

研究人員還研究了如何制造一種可以通過 3D 打印成一致且沒有太多缺陷的最終產(chǎn)品的材料。大多數(shù)商用泡沫都是熱固性的，這意味著它在成型過程中會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而永久地將結(jié)構(gòu)鎖定在原位，防止被重新成型、熔化或溶解。因此，大多數(shù)聚合物泡沫無法回收，最終會(huì)被填埋。

德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校的研究人員利用一種特殊的可逆鍵（稱為動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)）開發(fā)出了這種耐用泡沫。盡管這種泡沫不能像塑料一樣完全熔化和重塑，但這些鍵可以讓材料在受損時(shí)自我修復(fù)，從而應(yīng)用更廣泛、使用壽命更長。

上圖：打印泡沫的樹脂成分包括單體和動(dòng)態(tài)（DPE）或非動(dòng)態(tài)（TEGDA）交聯(lián)劑；下圖：打印后，發(fā)泡劑微球仍被困在交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中。加熱后，微球膨脹形成閉孔泡沫材料。使用非動(dòng)態(tài)交聯(lián)劑時(shí)，球體的膨脹受到聚合物鏈內(nèi)可用空間的限制。相反，對于動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，鍵可以在發(fā)泡過程中重新排列，從而允許更大的膨脹，同時(shí)保持交聯(lián)密度。

Smaldone說：“我們當(dāng)然不是唯一嘗試這樣做的人。新穎之處在于使用動(dòng)態(tài)化學(xué)來打印真正優(yōu)質(zhì)的泡沫材料。下一個(gè)要解決的問題是，我們?nèi)绾握{(diào)整屬性并利用這種新知識來滿足各種不同的需求？”

約翰遜和這項(xiàng)研究的另一位共同作者、化學(xué)博士生阿里爾·托爾弗里在研究了該領(lǐng)域的類似研究后提出了自己的想法。托爾弗里將約翰遜視為自己的導(dǎo)師，她計(jì)劃通過研究如何使泡沫更具可回收性以及探索泡沫的可持續(xù)性潛力來擴(kuò)大這項(xiàng)研究。

托爾弗里說，制作泡沫氣球狗作為團(tuán)隊(duì)的測試對象之一是一個(gè)自然而然的選擇。托爾弗里說：“它的形狀很簡單，但卻完美地代表了我們的泡沫。氣球看起來很普通，直到它被扭曲成新的東西，幾乎超出了人們的預(yù)期。我們的泡沫也是如此——一開始很不起眼，但一旦膨脹和變形，它們就會(huì)變得非凡�！�