跨领域合作,3D打印材料新突破:乳胶橡胶3D打印

3D打印快讯
2020
08/07
14:57
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来源: 江苏激光联盟

导读:弗吉尼亚理工大学的研究人员发现了一种3D打印乳胶橡胶的新方法,从而可以打印具有复杂几何形状的各种弹性材料。

人们生活中一般认知的乳胶是手套或油漆中的材料。乳胶是指一组(长而重复的分子链)盘绕在分散在水中的纳米颗粒中的聚合物。胶体形态能有效地将聚合物的粘度、分子量关系与大分子的螯合分离为离散的纳米级颗粒,从而减轻了链间纠缠。聚合物胶体,通常称为聚合物分散体或胶乳,通常包含均匀分散在水中(称为连续相)的亚微米聚合物颗粒(称为内相)。

3D打印技术是一种增材制造工艺,作为第3次工业革命的核心技术之一,能够很好的满足未来制造业对快速化、个性化、一体化和轻量化的要求。该技术的三大支撑为软件、设备和打印材料。在弹性体制品领域,3D打印技术可用于制品的研发和直接生产。近年来,3D打印弹性体的研发得到广泛关注。3D打印乳胶和其他类似橡胶材料称为弹性体,可用于多种应用,包括软机器人,医疗设备或减震器。弹性物体必须可逆地变形为高伸长率;然而,交联点之间必需的高分子量(定义为Mc)通常是由预制的高分子量聚合物前体的低交联度引起的(例如橡胶硫化)。还原光聚合(VP)增材制造制能造出具有出色分辨率的复杂几何形状;然而,由于伴随的高溶液和熔体粘度,还原光聚合(VP)带来了其他功能限制在聚合物前体上,要求创新的合成策略以增加印刷网络的Mc,高分子量聚合物不适合VP。因此,在可印刷性和机械性能之间产生了具有挑战性的悖论。

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弹性体材料概念图

《中国橡胶工业强国发展战略研究》规划并制定了中国橡胶工业“十三五”(2016—2020年)和“十四五”(2021—2025年)这10年的发展战略、方针和政策,在重大科技开发和建设项目中,“3D打印技术在乳胶制品模型设计上的应用”预计在“十三五”到“十四五”期间完成。目前的弹性体打印材料还没有传统意义上的橡胶材料,3D打印乳胶也仅在科学文献中记录了几次。

来自高分子创新研究所(MII)、科学院和工程学院的弗吉尼亚理工学院跨学科团队共同提出了一种新的乳胶3D打印方法,并获得了国家科学基金会奖。先前的实验没有一个接近于这个跨学科团队打印的乳胶的机械性能。化学教授兼该项目的首席研究员蒂莫西·朗(Timothy Long)与来自高分子创新研究所(MII)临时主任弗·威廉姆斯(Christopher Williams)机械工程教授都表示该项目代表了跨学科领域研究的典型范例。他们两个实验室中的任何一个都不能在没有另一个实验室的情况下实现这一目标。,可谓是两者缺一不可。

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通过在化学和机械工程领域的创新,该团队克服了3D打印(也称为增材制造)的一些长期限制。研究人员对液态乳胶进行了化学修饰,使其可打印,并建造了带有嵌入式计算机视觉系统的定制3D打印机,以打印这种高性能材料的准确,高分辨率特征。

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评估从乳胶打印的3D对象。(A–G)3D打印的光固化乳胶物体的图像和性能:(A)生坯和(B)干燥的sIPN状态的3D打印的Schwarz晶格,(C–F)打印的弹性体模具,以及(G)从中浇铸的叶轮 菲尔德的金属合金。


新材料的发展
在合成一种能提供理想分子量和机械性能的材料的尝试失败后,蒂莫西·朗研究小组的大分子科学与工程专业五年级学生菲尔·斯科特转向了商业液体胶乳。研究人员最终希望将这种材料制成立体印刷形式,但斯科特首先需要增加化学成分,使其能够打印。斯科特遇到了一个根本性的挑战:液态乳胶极其脆弱,化学家很难改变。维斯瓦纳思·米纳克什孙达拉姆是添加剂制造系统实验室的一名机械工程专业的五年级博士生,他与斯科特合作,他说:“乳胶处于一种禅的状态。如果你给它添加任何东西,它将完全失去稳定性并崩溃。”然后,化学家们想出了一个新主意:如果斯科特在乳胶粒子周围建造一个类似于建筑施工中使用的脚手架来固定它们,会怎么样?这样,乳胶可以保持其巨大的结构,斯科特可以添加光引发剂和其他化合物到乳胶,使三维打印与紫外线。

两位教授说三维打印乳液为印刷一系列前所未有的材料提供了概念框架,从硬塑料到软橡胶,这些材料至今仍无法印刷。

据悉,该项目是弗吉尼亚理工大学和米其林北美公司通过国家科学基金会奖和一项与工业界学术联系计划的赠款机会计划的联合合作,该计划支持学术界和工业界之间的联合研究。他们的研究成果发表在ACS Applied Materials&Interfaces上的。

本文来源:DOI: 10.1021/acsami.9b19986

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