浙江大学谢涛团队：实现数字光处理3D打印热塑性聚合物！

来源：高分子科学前沿

背景介绍
3D打印见证了一个高度复杂的定制产品成为现实的新时代。因此，3D打印在医疗设备、航空航天结构、能源设备和软机器人等工程应用中显示出巨大的应用前景。然而，目前3D打印依然受到各种因素的限制，其中打印速度和材料的通用性是最关键的。在打印速度方面，采用数字光处理(DLP)的逐层打印比采用熔融沉积成型(FDM)和立体光刻(SLA)等方法的逐点打印具有明显的优势。对DLP的进一步创新，如z-维的连续构建，可以实现远远超过任何其他方法的打印速度。一般来说，DLP采用多官能度的液态树脂，在数字光照射下，树脂发生交联，形成热固性聚合物，实现快速液固分离，但打印得到的热固性聚合物无法再加工，限制了该技术的广泛应用。原则上，如果将DLP技术扩展到可再加工的热塑性聚合物，就可以克服这一限制。液态单体和对应的低分子量非交联聚合物通常具有很好的混溶性，所以想要获得单体和非交联聚合物之间能够快速分离的独特DLP技术并不简单。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903970

本工作实现了热塑性聚合物的DLP 3D打印技术

成果简介
近日，来自浙江大学化学工程联合国家重点实验室教授谢涛课题组，报道了通过控制打印过程中同时发生的两个相互竞争的动力学过程 (聚合和聚合物溶解) 来实现热塑性聚合物DLP 3D打印的成功尝试。以选定的单体4 -丙烯酰吗啉(ACMO)为例，演示了热塑性三维支架的打印，利用其独特的水溶性特性，可以进一步转化为各种材料/设备。ACMO的超低粘度，加上表面氧阻聚，使新鲜树脂快速铺展在已固化的平面，可实现高速3D打印。该工艺简单的实现机制和材料的通用性拓宽了3D打印在构建功能3D设备 (包括可重构天线、形状移动结构和微流体) 方面的应用范围。该研究成果以题为“RapidOpen-Air Digital Light 3D Printing of Thermoplastic Polymer”的论文发表在国际知名学术期刊AdvancedMaterials上（见文后原文链接）。

图文速览

图1. DLP打印热塑性ACMO树脂的可行性。a)自上而下的DLP设备和打印配方。b) ACMO树脂与商用热固性丙烯酸酯树脂(FSL-C, S-MAKER)的固化动力学对比。c) 多种打印结构。d) UV固化后打印出不同半径的柱子。e) 微型开尔文晶格及其SEM结构。

图2.快速敞口打印过程。a)表面氧阻聚在固化树脂切片内沿z方向深度衰减。b)分子量和双键转化率沿z方向深度变化的定量分析。c)光照时间对抑制表面氧阻聚深度的影响。d)氩气处理树脂、对照样品与氧气处理树脂快速打印模型比较。

图3. ACMO聚合物的热塑性特性。a) 随着配方中硫醇含量的增加，流动性增强。b) 硫醇含量对聚合物分子量和熔融指数的影响。c) 热塑性聚合物和商用热固性树脂打印件的水溶性对比 d) 硫醇含量对聚合物分子量和溶解动力学的影响。

图4.演示了牺牲模塑的应用。a) 环氧SMP形状记忆循环。b) 基于液体金属的可重构天线的制造工艺。c) 可重构天线的频率调谐。d) 基于PDMS的微流控装置。

亮点小结
从原理、材料和工艺出发，本工作将DLP打印的范围从热固性聚合物拓展到了热塑性聚合物，利用材料本身粘度低，表层氧阻聚严重的特点实现了高速打印。此外，将一些无法通过传统DLP技术打印的材料，使用DLP打印热塑性聚合物作为牺牲模具，实现了这些材料的DLP打印。该工作实现了高速打印热塑性聚合物，这可能会带来更多的技术机遇，超出本研究所展示的成果。本工作第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院在读博士生邓诗泓，论文的第一通讯作者为谢涛教授，论文第二通讯作者为吴晶军博士。