超軟和無溶劑彈性體的室溫3D打印研究

來源：WEST可穿戴電子 ,，作者Wonger

超柔軟的彈性體是一類由高度支化的聚合物衍生的交聯(lián)材料，即使在沒有溶劑的情況下,，其剪切模量（約1至100 kPa）也比傳統(tǒng)橡膠（約1 MPa）小得多,。因與大部分生物組織模量相近，基于高度支化的聚合物的超柔軟彈性體有望成為仿生組織和設(shè)備應(yīng)用的先進(jìn)材料,。線性彈性體有多種制造技術(shù),，而高度支化的彈性體通常通過簡單的成型方法形成，限制其更多的應(yīng)用,。

加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校Christopher M. Bates課題組與Michael L. Chabinyc 課題組合作報(bào)道了一種能夠在室溫下對(duì)超軟且無溶劑的高度支化的彈性體進(jìn)行三維（3D）打印,。這些基于高度支化聚合物墨水會(huì)自組裝成有序的以人體為中心的立方球體相。這些軟固體在20°C時(shí)會(huì)響應(yīng)剪切力而產(chǎn)生急劇且可逆的屈服，其屈服應(yīng)力可通過控制微相分離的長度尺度進(jìn)行調(diào)整,�,？扇苄怨饨宦�(lián)劑的加入使擠出后的紫外線完全固化，從而形成超軟彈性體,，具有接近完美的可恢復(fù)彈性，遠(yuǎn)超過屈服應(yīng)變,。


研究成果解析

圖1：室溫下使用無刷DIW的瓶刷聚合物設(shè)計(jì),。（A）PDMS-stat-PEO高度支化聚合物以少數(shù)PEO體積分?jǐn)?shù)（fPEO = 0.04至0.06）進(jìn)入體心立方的化學(xué)結(jié)構(gòu)和自組裝。（B）這些軟質(zhì)材料在室溫下會(huì)響應(yīng)PEO膠束的晶格無序剪切而產(chǎn)生急劇屈服,，從而無需溶劑或其他引起觸變性的添加劑即可輕松進(jìn)行基于擠出的3D打印,。

圖2：PDMS-stat-PEO高度支化聚合物在20°C的形態(tài)和屈服應(yīng)力行為。（A）小角X射線,。（B）在線性粘彈性狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)頻率,。（C）動(dòng)態(tài)應(yīng)力掃描顯示出在臨界應(yīng)力處的急劇屈服。（D）在1.4 kPa和8.2 kPa兩個(gè)應(yīng)力之間的循環(huán)動(dòng)態(tài)時(shí)間掃描顯示出可逆的屈服,，快速的重新排序動(dòng)力學(xué)和出色的機(jī)械穩(wěn)定性,。

圖3：室溫，無溶劑的3D打印的瓶刷墨水,。（A到C）整潔的PDMS-stat-PEO高度支化共聚物（無添加劑）,。（A）以0.80毫米的間隙和0.36毫米的層厚印刷的木樁（8毫米乘8毫米乘1.5毫米）。（B）放大的自頂向下透視圖,。（C）空心金字塔,，層厚度為0.36 mm。（D到F）包含光交聯(lián)劑的PDMS-stat-PEO高度支化共聚物,。（D）較低分辨率的濾杯,，其層厚度為0.28毫米。（E）分辨率更高的碗,，其層厚度為0.10毫米,。（F）狗骨的層厚度為0.10毫米。

圖4：在室溫下進(jìn)行光交聯(lián)以形成超柔軟的彈性體,。（A）可光交聯(lián)的配方包括與基于雙二苯甲酮的PDMS光交聯(lián)劑混合的PDMS-stat-PEO高度支化共聚物,。（C）照片顯示3D打印碗的磷光強(qiáng)度逐漸下降，這是二苯甲酮反應(yīng)性的特征,。

圖5：3D打印的高度支化彈性體的機(jī)械性能,。（A）3D打印和模制樣品的單軸拉伸響應(yīng)（B）圖3D中的光交聯(lián)的3D打印彈性碗。

3D打印高彈性體是一個(gè)很好的研究課題,，雖然已有3D高彈性水凝膠的報(bào)道,，但是3D打印高彈性純聚合物還沒有出現(xiàn)。本文作者展示了一種新型的直接書寫油墨，該油墨可以在室溫下無需溶劑地對(duì)超軟彈性體進(jìn)行3D打印,。關(guān)鍵的創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)高度支化PDMS和PEO共聚物,。這種材料在室溫下表現(xiàn)出快速且可逆的屈服，響應(yīng)于剪切,，具有易于通過調(diào)整PDMS側(cè)鏈長度進(jìn)行操縱的屈服應(yīng)力,。帶有二苯甲酮端基的遠(yuǎn)螯PDMS的添加允許在3D打印后進(jìn)行簡單的光交聯(lián)，從而在高凝膠狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)低模量（<50 kPa）,。固化的彈性體顯示出異常的機(jī)械性能,，并且具有遠(yuǎn)超屈服點(diǎn)的近乎完美的可恢復(fù)性，這歸因于相同的微相介導(dǎo)的晶格無序轉(zhuǎn)變,，這也說明了未固化樣品的屈服性,。

【參考文獻(xiàn)】

https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabc6900