碳納米管光敏樹脂3D打印材料，新南威爾士大學(xué)求合作

2018年7月,，澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Charles博士聯(lián)系到南極熊,，“新南威爾士大學(xué)和澳洲國立大學(xué)的合作團隊,，研究出改性的碳納米管光敏樹脂3D打印材料,，以及新型的光引發(fā)劑，可以在綠光光源下實現(xiàn)3D打印,。這種納米復(fù)合材料,，可以增強光固化樹脂的機械力學(xué)性能，不知道有哪些產(chǎn)業(yè)可以應(yīng)用呢,？”

很多時候,，某些需要高性能（例如高力學(xué)強度）的行業(yè)領(lǐng)域，想使用光固化3D打印機,，快速制造出高強度,、高精度的零部件，但樹脂材料的性能,，很難得到滿足,。像美國Carbon公司和阿迪達斯聯(lián)合開發(fā)的運動鞋樹脂材料，具有高韌性等性能,，可以得到廣泛應(yīng)用,。各個行業(yè)的人士，經(jīng)常詢問南極熊,，有沒有適合他們行業(yè)需求的3D打印材料可以使用,。

我們一起來看看這個澳洲大學(xué)研發(fā)的碳納米管光敏樹脂3D打印材料,，感興趣的可以聯(lián)系南極熊微信3125836244交流合作。

△光固化3D打印原理

光固化是光引發(fā)劑經(jīng)過固定波長的光線照射后產(chǎn)生產(chǎn)生自由基或陰,、陽離子引發(fā)光敏樹脂液體分子彼此連接,，聚合形成交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)（固體）的過程。光固化3D打印過程就是這個材料交聯(lián)固化的過程,。常見的光固化機理一般為光引發(fā)自由基聚合和光引發(fā)陽離子聚合,。本項目采用的是可見光引發(fā)自由基聚合機理。


在光固化3D打印過程中,，光引發(fā)聚合體系是其材料性能的核心,。因為其不需要使用溶劑，環(huán)保,、快速聚合速率等優(yōu)點引起了越來越多的關(guān)注,。然而這些光引發(fā)體系，特別是紫外線固化體系（國內(nèi)外市場上一般的光固化3D打印機,，使用的都是紫外線體系）,，目前仍然存在著許多問題,。

比如,，在光引發(fā)體系中使用的大多數(shù)樹脂，在光聚合后都會形成玻璃狀,、硬且脆的聚合物材料,，這極大地限制了光聚合3D打印技術(shù)的應(yīng)用。一種改善最終產(chǎn)品性能的方法是向樹脂基體中添加填料等添加劑,，用以制備復(fù)合材料,。

但是對于常用光聚合體系，光源通常為紫外光或紫光,，波長較短,、穿透力不足。在添加填料過程中,，填料的選擇常常受到光源波長的限制,。當填料吸收光為藍紫光或紫外光時，該填料即不可應(yīng)用于光聚合體系中,。


△碳納米管極強的吸收光線的能力,。碳納米管自身擁有很好的導(dǎo)電性，良好的熱性能和優(yōu)異的機械性能,，常被作為添加劑用于制造高性能納米復(fù)合材料,。


例如，碳納米管擁有極強的吸收光線的能力,，若將其作為增強材料添加在光敏樹脂基體中,，會極大地吸收用于引發(fā)光聚合的紫外線或紫色可見光,，導(dǎo)致光聚合速度下降甚至無法進行。

因此目前碳納米管在3D打印領(lǐng)域的應(yīng)用大多停留在熔融沉積式 (FDM）或激光燒結(jié)（SLS, SHS）等非光聚合的3D打印機中,。為了克服短波長光源導(dǎo)致的填料選擇上的限制,，可見光聚合體系被引入3D打印領(lǐng)域，使用更長波長的藍光,、綠光甚至紅光作為光源引發(fā)樹脂固化,。但是對于常見可見光聚合體系，與傳統(tǒng)紫外光固化體系相比,，引發(fā)速率通常較低,，因而降低了生產(chǎn)效率。

△3D打印的碳納米管樹脂樓梯


碳納米管介紹

關(guān)于碳納米管的導(dǎo)電性,，其電流承載能力是銅線的1000倍,。到目前為止，碳納米管已經(jīng)應(yīng)用于許多電子器件,，如機械記憶和超靈敏傳感器 ,。并且碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)和熱穩(wěn)定性幾乎是金剛石的兩倍。 同時其的楊氏模量大于1000 GPa2,，是高強度鋼材（~200 GPa）的5倍,。 此外，其拉伸強度約為45 GPa1,，比高強度鋼材（~2 GPa）的拉伸強度高近14倍,，而碳納米管的密度卻只有1.3~1.4克/立方厘米。

南極熊了解到,，這個澳洲團隊研究的材料體系,，做了出重要的突破點：
①使用了綠光作為固化光源，降低了填料對于引發(fā)光的吸收,；同時因為采用了新的可見光引發(fā)體系,，大大的提高了可見光聚合的固化速度。
②成功將改性多壁碳納米管作為增強材料加入混合光固化3D打印樹脂中,，獲得可見光固化樹脂/碳納米管納米復(fù)合材料,。

可見光固化樹脂/碳納米管納米復(fù)合材料性能
①光固化速度高，對于聚乙二醇二丙烯酸酯單體,，在3~5秒的光照后即可完全完成固化,，雙鍵轉(zhuǎn)化率在90%以上。同時該引發(fā)體系還可應(yīng)用于多種丙烯酸酯或丙烯酸甲酯單體中,。當應(yīng)用于雙酚A-甲基丙烯酸縮水甘油酯/三縮四乙二醇二甲基丙烯酸酯混合3D打印樹脂中時,，對于60微米厚度的樹脂層，聚合速度可達10~15秒/層,。
②力學(xué)性能提高顯著,，樹脂/碳納米管復(fù)合材料彈性模量（G’）增強至原純樹脂材料彈性模量的兩倍,，同時熱穩(wěn)定性提高50攝氏度以上。硬度也隨碳納米管的加入略有提高,。（當然,，以上性能只是初步測試，實際還有很大的提高空間,。）

團隊介紹

Prof. Martina Stenzel
現(xiàn)任職于新南威爾士大學(xué),，是澳大利亞國家科學(xué)院院士，先進大分子設(shè)計中心（Centre for Advanced Macromolecular Design）聯(lián)合主任,。Martina Stenzel于1999年在德國斯圖加特大學(xué)應(yīng)用高分子化學(xué)研究所完成博士學(xué)位,。她獲得了DAAD獎學(xué)金（德國學(xué)術(shù)交流服務(wù)），開始在澳大利亞悉尼新南威爾士大學(xué)的聯(lián)合國教科文組織膜科學(xué)與技術(shù)中心擔(dān)任博士后研究員,。 2002年,，她在新南威爾士大學(xué)擔(dān)任化學(xué)工程講師，并在高級大分子設(shè)計中心（CAMD）工作,。她于2009年獲得ARC未來獎學(xué)金,，并于2012年晉升為正教授。2013年,，她被任命為高級大分子設(shè)計中心（CAMD）的聯(lián)合主任,。她還在西悉尼大學(xué)擔(dān)任醫(yī)學(xué)副教授。 2014年,，她加入新南威爾士大學(xué)化學(xué)學(xué)院,，開展聚合物納米和生物材料以及可見光3D打印研究項目,。

Dr. Pu Xiao
現(xiàn)任職于澳大利亞國立大學(xué),。Pu Xiao在武漢大學(xué)獲得化學(xué)博士學(xué)位（2004年）和高分子化學(xué)與物理博士學(xué)位（2009年）。 之后,，他于2009年開始在瑞士西北應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)擔(dān)任科學(xué)助理的學(xué)術(shù)生涯,。2012年，他轉(zhuǎn)到法國國家科學(xué)研究院（法國國家科學(xué)研究院）米盧斯材料科學(xué)研究所,，并擔(dān)任博士后研究員,。 2013年，他被授予澳大利亞研究理事會（ARC）發(fā)現(xiàn)早期職業(yè)研究員獎（DECRA）,，并于2014年在新南威爾士大學(xué)（悉尼）擔(dān)任DECRA研究員和講師,。2017年，他被授予 ARC未來獎學(xué)金,，然后在澳大利亞國立大學(xué)擔(dān)任ARC未來研究員,。

Guannan Wang
現(xiàn)就讀于新南威爾士大學(xué)，博士二年級學(xué)生,。Guannan Wang在青島科技大學(xué)獲得高分子科學(xué)與工程學(xué)士學(xué)位（2015年）,，并于2016年取得美國阿克倫大學(xué)高分子科學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位,。從2016年起，在新南威爾士大學(xué)攻讀博士學(xué)位,。
對此技術(shù)感興趣,？可留言聯(lián)系。