SUTD研究人員3D打印可生物降解導(dǎo)電電子產(chǎn)品

2025年7月11日，南極熊獲悉，由新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué) (SUTD) 副教授 Michinao Hashimoto 領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新穎的 3D 打印方法，可以將可生物降解的材料轉(zhuǎn)化為導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究以題為《Extrusion Printing ofElectrically Conductive Polymer Composites via Immersion Precipitation/通過浸沒沉淀法擠出打印導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料》的論文發(fā)表在《ACS 應(yīng)用工程材料》雜志上。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaenm.4c00685

研究團(tuán)隊(duì)探索了醋酸纖維素的使用，這是一種源自植物的可生物降解塑料，日益被視為合成聚合物的綠色替代品。然而，用它進(jìn)行打印遠(yuǎn)非易事。論文作者橋本副教授說道：“隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)不再僅僅局限于塑料的塑形。它還能融入導(dǎo)電性等功能，從而直接利用可持續(xù)材料制造設(shè)備。”

傳統(tǒng)的擠壓式打印方法，例如熔融沉積成型，依賴于高溫——醋酸纖維素?zé)o法承受高溫，否則會降解。其他方法，例如薄膜澆鑄，則缺乏數(shù)字化制造所需的精度和靈活性。

為了解決這個(gè)問題，研究人員轉(zhuǎn)向了直接墨水書寫技術(shù)，即在室溫下擠出聚合物墨水。他們的定制墨水將溶解在丙酮中的醋酸纖維素與石墨微粒結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性。然而，由于丙酮揮發(fā)緩慢，墨水在空氣中擴(kuò)散過于容易，導(dǎo)致打印清晰度不佳。

△來源：新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)

研究人員引入了一種水介質(zhì)，從而取得了突破。通過將墨水直接擠壓到水中，他們啟動了一個(gè)稱為“浸沒沉淀”的過程，水迅速從墨水中提取丙酮，從而使墨水在原位固化。重要的是，這個(gè)過程阻止了材料擴(kuò)散，從而形成了清晰銳利的3D結(jié)構(gòu)。

橋本副教授解釋說：“這是首次將浸沒沉淀法與3D打印技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。它讓我們能夠打印填料含量遠(yuǎn)高于以往的油墨，而不會出現(xiàn)堵塞或結(jié)構(gòu)坍塌的情況。”

大多數(shù)打印方法難以處理重量百分比超過30%至50%的導(dǎo)電填料。超過這個(gè)比例，噴嘴堵塞或形狀控制就會成為問題。但研究人員利用基于浸沒的技術(shù)，能夠?qū)⑹�墨濃度提升�?0%，同時(shí)保持良好的打印適性和均勻性。打印復(fù)合材料的電導(dǎo)率超過30 S/m，足以支持柔性電路和軟傳感器等應(yīng)用。

他們還演示了如何利用這些打印復(fù)合材料完成電路，成功為發(fā)光二極管 (LED) 供電。為了進(jìn)一步展示其方法的多功能性，他們將懸垂螺旋結(jié)構(gòu)打印到凝膠基支撐介質(zhì)中，無需傳統(tǒng)的支架或后處理即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀。

論文的主要作者阿倫拉杰·S/O·奇丹巴拉姆博士 (Dr. Arunraj S/O Chidambaram) 說道：“無需支撐，僅使用凝膠浴即可打印懸垂結(jié)構(gòu)，這確實(shí)拓展了我們的研究范圍。相比打印犧牲結(jié)構(gòu)，然后再移除，這是一種更簡潔、更高效的方法。”

環(huán)境可持續(xù)性是該項(xiàng)目的主要驅(qū)動力。醋酸纖維素和石墨均可生物降解且廣泛可用。墨水中使用的溶劑丙酮毒性低，且易于在土壤和水中降解。將這些材料結(jié)合起來，團(tuán)隊(duì)能夠提供一種可行的電子制造方法，從而減少對環(huán)境的影響。

新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將該方法應(yīng)用于其他聚合物-填料組合，并測試打印材料在實(shí)際條件下的長期性能。最終目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)可擴(kuò)展、低成本的平臺，用于生產(chǎn)可持續(xù)的高性能設(shè)備。

橋本副教授補(bǔ)充道：“通過調(diào)整材料特性和改進(jìn)工藝，我們的目標(biāo)是建立一個(gè)完整的可打印功能復(fù)合材料庫，以滿足特定應(yīng)用的需求——無論是可穿戴技術(shù)、生物傳感器還是柔性電路。”