跨領(lǐng)域合作，3D打印材料新突破：乳膠橡膠3D打印

來源： 江蘇激光聯(lián)盟

導(dǎo)讀：弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種3D打印乳膠橡膠的新方法,，從而可以打印具有復(fù)雜幾何形狀的各種彈性材料,。

人們生活中一般認(rèn)知的乳膠是手套或油漆中的材料,。乳膠是指一組（長(zhǎng)而重復(fù)的分子鏈）盤繞在分散在水中的納米顆粒中的聚合物,。膠體形態(tài)能有效地將聚合物的粘度、分子量關(guān)系與大分子的螯合分離為離散的納米級(jí)顆粒,，從而減輕了鏈間糾纏,。聚合物膠體，通常稱為聚合物分散體或膠乳,，通常包含均勻分散在水中（稱為連續(xù)相）的亞微米聚合物顆粒（稱為內(nèi)相）,。

3D打印技術(shù)是一種增材制造工藝，作為第3次工業(yè)革命的核心技術(shù)之一,，能夠很好的滿足未來制造業(yè)對(duì)快速化,、個(gè)性化、一體化和輕量化的要求,。該技術(shù)的三大支撐為軟件,、設(shè)備和打印材料。在彈性體制品領(lǐng)域,，3D打印技術(shù)可用于制品的研發(fā)和直接生產(chǎn),。近年來,，3D打印彈性體的研發(fā)得到廣泛關(guān)注。3D打印乳膠和其他類似橡膠材料稱為彈性體,，可用于多種應(yīng)用,，包括軟機(jī)器人，醫(yī)療設(shè)備或減震器,。彈性物體必須可逆地變形為高伸長(zhǎng)率,；然而，交聯(lián)點(diǎn)之間必需的高分子量（定義為Mc）通常是由預(yù)制的高分子量聚合物前體的低交聯(lián)度引起的（例如橡膠硫化）,。還原光聚合(VP)增材制造制能造出具有出色分辨率的復(fù)雜幾何形狀；然而,，由于伴隨的高溶液和熔體粘度,，還原光聚合(VP)帶來了其他功能限制在聚合物前體上，要求創(chuàng)新的合成策略以增加印刷網(wǎng)絡(luò)的Mc,，高分子量聚合物不適合VP,。因此，在可印刷性和機(jī)械性能之間產(chǎn)生了具有挑戰(zhàn)性的悖論,。

彈性體材料概念圖

《中國(guó)橡膠工業(yè)強(qiáng)國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略研究》規(guī)劃并制定了中國(guó)橡膠工業(yè)“十三五”（2016—2020年）和“十四五”（2021—2025年）這10年的發(fā)展戰(zhàn)略,、方針和政策，在重大科技開發(fā)和建設(shè)項(xiàng)目中,，“3D打印技術(shù)在乳膠制品模型設(shè)計(jì)上的應(yīng)用”預(yù)計(jì)在“十三五”到“十四五”期間完成,。目前的彈性體打印材料還沒有傳統(tǒng)意義上的橡膠材料，3D打印乳膠也僅在科學(xué)文獻(xiàn)中記錄了幾次,。

來自高分子創(chuàng)新研究所（MII）,、科學(xué)院和工程學(xué)院的弗吉尼亞理工學(xué)院跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)共同提出了一種新的乳膠3D打印方法，并獲得了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)獎(jiǎng),。先前的實(shí)驗(yàn)沒有一個(gè)接近于這個(gè)跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)打印的乳膠的機(jī)械性能,。化學(xué)教授兼該項(xiàng)目的首席研究員蒂莫西·朗（Timothy Long）與來自高分子創(chuàng)新研究所（MII）臨時(shí)主任弗·威廉姆斯（Christopher Williams）機(jī)械工程教授都表示該項(xiàng)目代表了跨學(xué)科領(lǐng)域研究的典型范例,。他們兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室中的任何一個(gè)都不能在沒有另一個(gè)實(shí)驗(yàn)室的情況下實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),。，可謂是兩者缺一不可,。

通過在化學(xué)和機(jī)械工程領(lǐng)域的創(chuàng)新,，該團(tuán)隊(duì)克服了3D打印（也稱為增材制造）的一些長(zhǎng)期限制,。研究人員對(duì)液態(tài)乳膠進(jìn)行了化學(xué)修飾,，使其可打印，并建造了帶有嵌入式計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的定制3D打印機(jī),，以打印這種高性能材料的準(zhǔn)確,，高分辨率特征,。

評(píng)估從乳膠打印的3D對(duì)象。（A–G）3D打印的光固化乳膠物體的圖像和性能：（A）生坯和（B）干燥的sIPN狀態(tài)的3D打印的Schwarz晶格,，（C–F）打印的彈性體模具,，以及（G）從中澆鑄的葉輪 菲爾德的金屬合金。

新材料的發(fā)展
在合成一種能提供理想分子量和機(jī)械性能的材料的嘗試失敗后,，蒂莫西·朗研究小組的大分子科學(xué)與工程專業(yè)五年級(jí)學(xué)生菲爾·斯科特轉(zhuǎn)向了商業(yè)液體膠乳,。研究人員最終希望將這種材料制成立體印刷形式，但斯科特首先需要增加化學(xué)成分,，使其能夠打印,。斯科特遇到了一個(gè)根本性的挑戰(zhàn):液態(tài)乳膠極其脆弱，化學(xué)家很難改變,。維斯瓦納思·米納克什孫達(dá)拉姆是添加劑制造系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的一名機(jī)械工程專業(yè)的五年級(jí)博士生,，他與斯科特合作，他說:“乳膠處于一種禪的狀態(tài),。如果你給它添加任何東西,，它將完全失去穩(wěn)定性并崩潰�,！比缓�,，化學(xué)家們想出了一個(gè)新主意:如果斯科特在乳膠粒子周圍建造一個(gè)類似于建筑施工中使用的腳手架來固定它們，會(huì)怎么樣,？這樣,，乳膠可以保持其巨大的結(jié)構(gòu)，斯科特可以添加光引發(fā)劑和其他化合物到乳膠,，使三維打印與紫外線,。

兩位教授說三維打印乳液為印刷一系列前所未有的材料提供了概念框架，從硬塑料到軟橡膠,，這些材料至今仍無法印刷,。

據(jù)悉，該項(xiàng)目是弗吉尼亞理工大學(xué)和米其林北美公司通過國(guó)家科學(xué)基金會(huì)獎(jiǎng)和一項(xiàng)與工業(yè)界學(xué)術(shù)聯(lián)系計(jì)劃的贈(zèng)款機(jī)會(huì)計(jì)劃的聯(lián)合合作,，該計(jì)劃支持學(xué)術(shù)界和工業(yè)界之間的聯(lián)合研究,。他們的研究成果發(fā)表在ACS Applied Materials＆Interfaces上的。

本文來源：DOI: 10.1021/acsami.9b19986