德克萨斯州大学研究人员3D打印定制泡沫，可应用于隔热和减震领域

2025年4月6日，南极熊获悉，据德克萨斯大学达拉斯分校(UT Dallas) 称，研究人员发明了一种 3D 打印泡沫，它比许多日常用品中的聚合物泡沫更耐用、更可回收。

这项研究以题为“3D printable polymer foams withtunable expansion and mechanical properties enabled by catalyst-free dynamiccovalent chemistry”的论文发表在《RSC Applied Polymers》期刊上，重点是制造一种可以 3D 打印的坚固但轻巧的泡沫。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2025/lp/d4lp00374h

德克萨斯大学达拉斯分校的博士生、这项研究的共同主要作者丽贝卡·约翰逊说：“这可能是我做过的最长的项目。从开始到结束，花了两年多一点的时间。大部分时间都在尝试让聚合物配方正确，以便与 3D 打印机兼容。”

3D 打印工艺让研究人员能够制作复杂的形状，这些形状可以在制造应用中进行定制。为了证明这一概念，他们制作了气球狗形状的泡沫。

自然科学与数学学院化学与生物化学副教授、论文的通讯作者 Ron Smaldone 博士说：“本项目的目标是解决 3D 打印在制造聚合物泡沫方面的一些局限性。3D 可打印泡沫的主要用途之一是绝缘和减震。”

Smaldone 表示，随着研究和实验的深入，这种泡沫和工艺可用于制造高冲击吸收物品，如摩托车或橄榄球头盔、汽车保险杠或装甲。他还指出，3D 打印能够创建更复杂的结构，如细晶格，这可以增加材料的物理柔韧性，并为应用提供更多功能。

研究人员还研究了如何制造一种可以通过 3D 打印成一致且没有太多缺陷的最终产品的材料。大多数商用泡沫都是热固性的，这意味着它在成型过程中会发生化学反应，从而永久地将结构锁定在原位，防止被重新成型、熔化或溶解。因此，大多数聚合物泡沫无法回收，最终会被填埋。

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员利用一种特殊的可逆键（称为动态共价化学）开发出了这种耐用泡沫。尽管这种泡沫不能像塑料一样完全熔化和重塑，但这些键可以让材料在受损时自我修复，从而应用更广泛、使用寿命更长。

上图：打印泡沫的树脂成分包括单体和动态（DPE）或非动态（TEGDA）交联剂；下图：打印后，发泡剂微球仍被困在交联网络中。加热后，微球膨胀形成闭孔泡沫材料。使用非动态交联剂时，球体的膨胀受到聚合物链内可用空间的限制。相反，对于动态网络，键可以在发泡过程中重新排列，从而允许更大的膨胀，同时保持交联密度。

Smaldone说：“我们当然不是唯一尝试这样做的人。新颖之处在于使用动态化学来打印真正优质的泡沫材料。下一个要解决的问题是，我们如何调整属性并利用这种新知识来满足各种不同的需求？”

约翰逊和这项研究的另一位共同作者、化学博士生阿里尔·托尔弗里在研究了该领域的类似研究后提出了自己的想法。托尔弗里将约翰逊视为自己的导师，她计划通过研究如何使泡沫更具可回收性以及探索泡沫的可持续性潜力来扩大这项研究。

托尔弗里说，制作泡沫气球狗作为团队的测试对象之一是一个自然而然的选择。托尔弗里说：“它的形状很简单，但却完美地代表了我们的泡沫。气球看起来很普通，直到它被扭曲成新的东西，几乎超出了人们的预期。我们的泡沫也是如此——一开始很不起眼，但一旦膨胀和变形，它们就会变得非凡。”