光固化成型高缠结交联可拉伸泡沫的增材制造

来源：EFL生物3D打印与生物制造

聚合物泡沫在隔热、吸声及生物医学等领域需求广泛，传统挤出式3D打印技术（如FFF、DIW）制备的泡沫存在层间孔隙分布不均、几何精度不足的问题，而光固化立体成型（VPP）技术虽精度高，但固化后高交联密度限制聚合物链运动，导致发泡困难。现有光固化泡沫制备方法（如高内相乳液模板法、溶剂刻蚀法）难以平衡打印精度与膨胀率。   

来自中国科学院福建物质结构研究所吴立新研究员和翁子骧高级工程师开发了一种含动态聚脲键的聚氨酯预聚体（PUB）基光固化树脂体系。通过引入热膨胀微球（TEMs）作为发泡剂，利用动态共价键热解离特性，在紫外固化时维持高模量保证打印精度，加热后降低交联密度使TEMs膨胀成孔，同时热引发链延伸和二次交联提升泡沫拉伸性能（应变达650%）。该体系解决了光固化技术中发泡与精度难以兼顾的难题，实现了高精度打印与高膨胀率的平衡。   

相关工作以“Vat photopolymerization of stretchable foam with highly entangled and crosslinked structures”为题发表在《Nature Communications》上。

研究内容
1. 传统光固化树脂发泡局限性与动态共价键机制分析，通过对比传统紫外固化树脂与含动态聚脲键（PUB）的光固化体系，研究光固化过程中交联密度对发泡能力的影响。结果表明，传统树脂高交联密度限制链运动导致无法发泡，而PUB体系通过热解离动态脲键降低交联密度，结合热膨胀微球（TEMs）实现可控发泡，同时热引发链延伸提升材料拉伸性能（应变达650%）。      

图1.传统光固化树脂与PUB体系发泡机制对比。   

2. 含TEMs的光固化树脂制备与打印精度验证，利用线性扫描光固化（LSVP）技术打印含TEMs的PUB树脂样品，通过测量尺寸误差（<0.2%）和扫描电镜（SEM）观察微观结构，研究单体类型（如IBOMA、LMA）对打印精度和泡沫性能的影响。结果显示，引入刚性单体IBOMA可制备高精度刚性泡沫（尺寸误差<200微米），而柔性单体LMA则赋予泡沫高回弹性，且发泡精度与单体类型无关。      

图2. 3D打印泡沫的机械性能与成型精度验证。   

3. 泡沫力学性能调控与晶格结构设计，通过改变TEMs含量（5-20 phr）和单体组成，结合压缩/拉伸测试及有限元分析（FEA），研究泡沫密度（0.05-0.8 g/cm³）与力学性能的关系。结果表明，高密度泡沫（如IBOMA30-TEMs5）压缩强度达22 MPa，低密度泡沫（0.05 g/cm³）可支撑自身重量1000倍载荷，且不同晶格结构（如菱形、桁架）可调节能量吸收效率（最高41.7%）。      

图3. 单体调控泡沫的力学行为与交联网络机制。   

4. 复杂晶格结构的轻量化应用与热恢复性能，利用LCD光固化3D打印机制造含复杂晶格的泡沫部件（如鞋中底、玻璃保护罩），通过跌落测试和热循环压缩实验，研究泡沫的能量吸收能力和形变恢复特性。结果显示，泡沫保护的玻璃从2米高处跌落未破损，且经90%应变压缩后，加热至70°C可恢复90%以上尺寸，循环10次性能保持稳定。      

图4. 高缠结交联泡沫的轻量化应用与热恢复性能。

研究结论
本研究开发了一种适用于光固化立体成型（VPP）的可发泡紫外固化树脂体系，其制备的坯体可实现各向同性膨胀并保持原始尺寸比例。通过改变单体类型，打印泡沫性能可从高强度到高回弹性灵活调控，密度范围为0.1–1 g/cm³，满足多种应用需求。值得注意的是，打印泡沫经形变后可通过简单热处理恢复并重复使用。该可发泡紫外固化树脂使现代VPP技术能够制备广泛应用的聚合物泡沫材料，为高精度、高机械性能泡沫的3D打印提供了新策略，在轻量化结构、缓冲保护和功能器件等领域展现出广阔应用前景。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60087-8