使用二氧化碳3D打印微發(fā)泡線材

導讀：近年來，包括航空航天,、航海,、生物醫(yī)學和體育在內(nèi)的研究領域都利用了創(chuàng)新的先進材料。在最近開發(fā)的許多新型材料中,，聚合物發(fā)泡材料因其具有良好的機械和物理性能,，脫穎而出。

聚合物發(fā)泡材料是指以聚合物（塑料,、橡膠,、彈性體或天然高分子材料）為基礎而其內(nèi)部具有無數(shù)氣泡的微孔材料，也可以視為以氣體為填料的復合材料,。




2022年8月,，南極熊獲悉，來自意大利的一個團隊使用二氧化碳進行3D打印,，制作了微發(fā)泡線材,。他們的工作已在線發(fā)表在《聚合物》雜志上，題目為《Microfoamed Strands by 3D Foam Printing》,。



通過 3D 泡沫打印的微發(fā)泡線材
打印發(fā)泡線的 5 個步驟的示意圖：



△( a ) 浸漬,，( b ) 解吸，( c ) 熔化,，( d ) 發(fā)泡  ( e ) 線材之間的粘附

這些新型微發(fā)泡材料具有控制其結構-性能關系的分級多孔內(nèi)部結構,。與非分層結構相比,，這些材料具有增強的機械性能和更多的活性表面。在自然界中,，存在許多具有分層內(nèi)部組織的有機結構,。這些結構能夠以最少的材料實現(xiàn)最佳的效率和性能。包括蜂窩,、骨頭和竹子,。這些天然結構具有高剛度重量比、良好的能量反射和低導熱性等特性,，科學家們現(xiàn)在對其非常感興趣,，也為此展開了多種研究。

3D 打印聚合物微泡
制造 3D 聚合物微泡沫是目前的研究重點,。3D 打印已被廣用于于各種技術解決方案,，與傳統(tǒng)制造技術相比具有多個優(yōu)勢。研究人員已經(jīng)做出了一些努力來從聚合物中形成分層的網(wǎng)格和泡沫結構,�,？梢�3D打印具有宏觀和微觀尺度孔隙的絲狀支柱。由于打印分辨率的限制,，在當前的研究中遇到了擠壓支柱的密度和鏈間孔隙率方面的限制,。

研究人員已經(jīng)嘗試通過使每根單股發(fā)泡以生產(chǎn)具有高股內(nèi)和股間多孔結構的泡沫來改進該工藝。一種兩階段方法,，其中在結構上打印鏈間孔,，然后將材料批量發(fā)泡或自由干燥以產(chǎn)生鏈內(nèi)孔。


△( a ) 使用 CO2(本工作)和丙酮 實現(xiàn)的膨脹比之間的比較,。用 CO2 ( b ) 和丙酮( c )發(fā)泡的線材橫截面的 SEM 圖像,。

最新提出的一種方法是在一步法中使用發(fā)泡劑的不連續(xù)或在線增溶。然而,，由于當前技術和工藝的限制,，設計具有創(chuàng)新和微調(diào)形態(tài)的 3D 聚合物微泡沫仍然存在問題。3D 泡沫打印本身是增材制造領域的一項最新技術創(chuàng)新,，在實現(xiàn)全面商業(yè)化之前,，人們對它的了解仍然很少，面臨著若干技術挑戰(zhàn),。打印機噴嘴中的發(fā)泡機制尚未得到正確理解,，并且在控制過程中存在困難。

設計具有精細控制的形態(tài)和孔結構的聚合物微泡沫是其在多個前沿研究和工程領域的商業(yè)應用的關鍵,。實現(xiàn)這一點將有助于科學家充分利用分層結構的豐富潛力,，為材料科學家提供廣闊的設計空間。

研究
研究人員使用二氧化碳合成了多孔,、分層3D聚合物微泡沫來生產(chǎn)具有特殊氣泡形態(tài)的材料,。研究中深入探討了材料的設計,、生產(chǎn)和表征。突出了氣泡形態(tài)與工藝參數(shù),，即CO2濃度和溫度之間的關系,。

使用可生物降解和可持續(xù)的聚合物和 PLA 生產(chǎn)微泡沫。然后將這些聚合物吹入二氧化碳,，創(chuàng)造出一種綠色且可持續(xù)的合成工藝,。15 wt.%的CO2產(chǎn)生具有微觀和宏觀尺度孔隙度的低密度泡沫(40 kg/m 3 )。所生產(chǎn)的泡沫的結晶度含量在 5% 到 45% 之間,，取決于CO2濃度，表現(xiàn)出線性關系,。

作者觀察到,，發(fā)泡線材的彈性模量受結晶度含量的強烈影響。作者提出了一個修正的 Egli 方程,，從而解釋了機械性能和泡沫密度之間的關系,。因此，在研究中展示了一種創(chuàng)新模型,，該模型展示了結晶度和性質的關系,。


△( a ) 打印和發(fā)泡/打印 PLA 線材的 DSC 曲線；( b ) 膨脹比對結晶度的影響考,。

研究人員發(fā)現(xiàn)絕熱冷卻是聚合物股線的主要凝固機制,。這種冷卻是由于聚合物微泡沫形成過程中的快速絕熱膨脹。作者提出,，了解這種效應將有助于調(diào)整工藝的操作參數(shù)以優(yōu)化最終泡沫密度,。

總結
聚合物微泡沫是一種創(chuàng)新的仿生材料，可為生物醫(yī)學,、航空航天和紡織等行業(yè)帶來諸多好處,。它們具有復雜、多孔,、分層的內(nèi)部形態(tài),，并且優(yōu)于傳統(tǒng)的非分層材料。

為了生產(chǎn)這些材料,，人們對應用3D打印方法的興趣與日俱增,，但該領域仍處于起步階段且了解甚少，工藝難以控制,。聚合物方面的新研究證明了一種簡便的綠色合成路線,，可以徹底改變 3D 打印聚合物微泡沫領域。盡管仍然存在許多挑戰(zhàn),，但該領域是一個值得研究人員不斷探索的領域,。