食鹽在熱固性材料3D打印中的妙用

來源：東華大學材料科學與工程學院

熱固性材料由于其出色的力學性能、熱穩(wěn)定性和耐化學性被廣泛地應用于航空航天、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，大大限制了其應用。3D打印技術是近年來新興的先進加工手段，因其可快速高效地制造精細復雜的立體結構，方便個性化定制的特點，在諸多領域均展示出了良好的應用前景。如果能夠3D打印熱固性材料必將大大擴寬其應用。但是大多數(shù)熱固性材料的成型都需要一個較長的交聯(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行有效的3D打印。

▲3D打印熱固性材料策略的設計理念及多樣化應用

東華大學纖維材料改性重點國家實驗室的游正偉教授團隊提出了一種新穎的策略，有效地解決了這一難題。相關成果以《一種3D打印熱固性材料的通用策略及其多樣化應用》(“A general strategy of 3D printing thermosets for diverse applications”)為題，發(fā)表于材料學領域著名學術期刊《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聚物結合為復合打印墨水。在打印過程中鹽粒起到增稠劑的作用，保證順利打印成型；同時在熱固化過程中，鹽粒起到增強劑的作用，實現(xiàn)打印的三維立體結構在高溫高真空交聯(lián)過程中保形；固化成型后，鹽粒可以方便地被水溶解除去，從而又作為致孔劑獲得了多孔的結構。該策略具有良好的通用性，可以實現(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，打印出來的結構還具有常規(guī)3D打印難以獲得的微孔。

以熱固性彈性體為例，開展了應用研究。利用打印彈性體對溶劑的大尺寸溶脹效應和微孔結構高效吸附與解吸作用，構建了可反復循環(huán)響應的氣體傳感器。同時利用3D打印個性化定制的優(yōu)勢構建了梯度化結構的彈性溶劑驅動器，可對溶劑即時響應并發(fā)生大尺度的形變，在軟體機器人等領域具有潛在的應用前景。進而和上海交通大學附屬瑞金醫(yī)院的趙強和葉曉峰教授團隊合作，證實所打印的三維補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打印的應用范圍，有望構筑一系列新型的三維功能材料，在多領域具有良好的應用前景。


3D打印熱固性材料策略的設計理念及多樣化應用

▲3D打印柔性驅動器

東華大學博士生雷東為論文的第一作者，東華大學游正偉教授和上海交通大學附屬瑞金醫(yī)院的趙強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研發(fā)計劃、國家自然科學基金和上海市自然科學基金等項目資助。

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

來源：東華大學材料科學與工程學院