3D打印，已經(jīng)成為一種有吸引力的制造技術(shù)，因?yàn)樗谠L問幾何復(fù)雜的定制產(chǎn)品方面具有特殊的自由度。然而，其大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，受到其低制造效率(打印速度)和產(chǎn)品質(zhì)量(機(jī)械性能)不足的阻礙。光聚合物超快速3D打印技術(shù)的最新進(jìn)展，緩解了制造效率的問題，但典型打印聚合物的機(jī)械性能，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于傳統(tǒng)加工技術(shù)。這是因?yàn)榇蛴∫笙拗屏朔肿釉O(shè)計(jì)朝著實(shí)現(xiàn)高機(jī)械性能的方向發(fā)展。
據(jù)此，浙江大學(xué)謝濤教授、吳晶軍研究員團(tuán)隊(duì)最近報(bào)道3D打印出一根“超級(jí)橡皮筋”，它能拉伸到自身長(zhǎng)度的9倍以上，直徑約1毫米的“身軀”能提起一包10公斤的大米，其性能遠(yuǎn)超其他3D光固化打印彈性體?！俺?jí)橡皮筋”是采用一種新型光敏樹脂打印的。研發(fā)團(tuán)隊(duì)為這類材料分子設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)可變的化學(xué)鍵，材料能在產(chǎn)品打印成型后通過加熱形成新的化學(xué)鍵和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而更強(qiáng)更韌。這一進(jìn)展為3D打印技術(shù)突破材料局限，大規(guī)模應(yīng)用于高性能的產(chǎn)品制造帶來了曙光。
2024年07月03日，相關(guān)論文以題為“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness” 發(fā)表在Nature上。論文的第一作者是浙江大學(xué)杭州科創(chuàng)中心方子正研究員。浙江大學(xué)寧波科創(chuàng)中心吳晶軍研究員與浙江大學(xué)化工學(xué)院謝濤教授為共同通訊作者。研究受到了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
“3D打印不一定要以犧牲機(jī)械性能為代價(jià)。” 謝濤教授認(rèn)為，在這項(xiàng)研究中，他們展示了通過動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)來解決這對(duì)矛盾的方法，開拓了光固化打印強(qiáng)韌材料分子/網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)新思路，克服了3D打印的大規(guī)模應(yīng)用的重要障礙。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為聚合物動(dòng)態(tài)共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)理念，還可以用于其他材料的改進(jìn)，為材料設(shè)計(jì)創(chuàng)造更為豐富的想象空間。
彈性和彈性的結(jié)合，使得彈性體在包括汽車、建筑和消費(fèi)品在內(nèi)的廣泛行業(yè)中都是必不可少的。此外，它們?cè)谖⒘黧w、軟機(jī)器人、可穿戴電子產(chǎn)品和醫(yī)療設(shè)備等新興領(lǐng)域獲得了越來越多的關(guān)注。對(duì)于任何應(yīng)用，具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度是先決條件。因此，解決軟與強(qiáng)之間看似矛盾的屬性一直是一個(gè)永恒的追求。天然蜘蛛絲具有非凡的強(qiáng)度，為設(shè)計(jì)合成柔軟材料提供了源源不斷的靈感。盡管其獨(dú)特的超結(jié)構(gòu)(β片)難以復(fù)制，但設(shè)計(jì)分層結(jié)構(gòu)的更廣泛原則為設(shè)計(jì)機(jī)械強(qiáng)度高的彈性體提供了有用的提示。然而，上述設(shè)計(jì)原理不能直接用于基于光固化的數(shù)字光處理(DLP) 3D打印。DLP打印需要快速光固化來實(shí)現(xiàn)必不可少的快速凝膠化。因此，光樹脂通常含有相當(dāng)數(shù)量的多功能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯，這嚴(yán)重限制了分子設(shè)計(jì)的自由度，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)越的機(jī)械強(qiáng)度。此外，快速固化會(huì)導(dǎo)致不均勻的網(wǎng)絡(luò)形成和殘余應(yīng)力，這也不利于力學(xué)性能。在這里，研究者說明使用動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)來克服打印性能沖突。
這一成果的關(guān)鍵在于化學(xué)設(shè)計(jì)了一種二甲丙烯酸酯DLP前驅(qū)體，其主鏈上含有動(dòng)態(tài)受阻脲和兩個(gè)羧基。該前體分三步合成(圖1a)。低聚聚(四氫呋喃)二醇(分子質(zhì)量為1000)首先與甲苯-2,4-二異氰酸酯反應(yīng)，引入異氰酸酯端基。在第二步中，異氰酸端基進(jìn)一步與二甲基丁酸反應(yīng)，生成具有兩個(gè)懸垂羧酸基的異氰酸端基預(yù)聚物。這里選擇50℃的反應(yīng)溫度，促進(jìn)異氰酸酯與羥基的反應(yīng)，抑制異氰酸酯與羧基的反應(yīng)。第三步，預(yù)聚物與2-(叔丁胺)甲基丙烯酸乙酯反應(yīng)生成DLP前驅(qū)體，并通過質(zhì)子核磁共振(1H NMR)和傅里葉轉(zhuǎn)移紅外(FTIR)光譜分析證實(shí)其結(jié)構(gòu)。凝膠滲透色譜和1H NMR端基分析測(cè)得的DLP前驅(qū)體的數(shù)平均分子量分別為4277 g mol?1和4740 g mol?1。這兩個(gè)值都符合理論數(shù)平均分子量為4,710 g mol?1。
圖1. 三維光打印彈性體的化學(xué)設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)光固化，DLP前驅(qū)體進(jìn)一步與溶劑(乙二醇二乙酸酯，50%)和光引發(fā)劑(光引發(fā)劑 819, 1%)混合。聚合物網(wǎng)絡(luò)是通過光聚合和溶劑去除形成的。在90°C的進(jìn)一步后固化中，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了幾個(gè)拓?fù)渥兓?，這是其高機(jī)械性能的關(guān)鍵。如圖1b所示，動(dòng)態(tài)受阻的尿素鍵熱解離生成異氰酸酯，異氰酸酯隨后與羧基反應(yīng)生成酰胺鍵。
此外，由于具有吸濕性的羧酸，系統(tǒng)中存在的水也參與了與異氰酸酯的反應(yīng)，生成尿素鍵。同時(shí)，將固化后的單一網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為互穿結(jié)構(gòu)，其中新制備的聚酰胺-聚脲網(wǎng)絡(luò)作為第二網(wǎng)絡(luò)(圖1b)。
在這里，采用模型化合物研究來驗(yàn)證圖1b中所示的反應(yīng)，使用兩個(gè)等摩爾小分子，分別含有受阻尿素和羧酸基團(tuán)(圖1c)。
它們?cè)?0°C下的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)通過1H NMR分析進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖1d)。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，峰強(qiáng)度的變化表明羧酸(峰a)和尿素(峰b)的逐漸消耗和酰胺鍵的產(chǎn)生(峰a ')受到阻礙。
研究注意到，在6小時(shí)，受阻尿素幾乎被完全消耗，但羧酸沒有。這意味著一些受阻的尿素轉(zhuǎn)化為尿素(圖1c)。四極桿飛行時(shí)間質(zhì)譜和紅外光譜分析均證實(shí)了反應(yīng)產(chǎn)物中除酰胺外還存在尿素。此外，還檢測(cè)到副產(chǎn)物CO2，驗(yàn)證了反應(yīng)途徑。
為了量化，受阻的尿素和酰胺的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率由圖1d計(jì)算，差值為尿素的轉(zhuǎn)化率。因此，圖1e顯示，當(dāng)受阻尿素被消耗時(shí)，產(chǎn)生尿素和酰胺。
然而，尿素轉(zhuǎn)化率在0.5 h時(shí)達(dá)到約30%的平臺(tái)值，而其他兩個(gè)部分繼續(xù)變化，直到約4-5 h時(shí)達(dá)到平衡值。結(jié)果表明，在0.5 h時(shí)水被完全消耗，之后沒有產(chǎn)生額外的尿素。在6 h時(shí)，尿素與酰胺的比例約為0.5。
圖2. 彈性體的力學(xué)性能及其強(qiáng)化和增韌機(jī)制
在闡明了網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)背后的化學(xué)反應(yīng)之后，繼續(xù)分析了它是如何影響力學(xué)性能的。光固化的原始樣品表現(xiàn)出適度的機(jī)械性能。由圖2a計(jì)算得出其模量為3.8 MPa。其抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別為10.1±1.3 MPa和372±32%，與許多商用3d打印彈性體一致。
熱后固化效果顯著。在最佳后固化時(shí)間為6 h時(shí)，其模量為26.1±2.7 MPa，抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別達(dá)到94.6±2.8 MPa和909±11%，對(duì)應(yīng)的拉伸韌性為310.4±7.4 MJ m?3。與任何已知的高性能3D打印彈性體(圖2b)相比，強(qiáng)度至少高出3.7倍。
如圖2c所示，彈性體的真實(shí)強(qiáng)度為0.98 GPa。注意到，將熱后固化時(shí)間延長(zhǎng)至8 h會(huì)導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度略微降低至81 MPa左右，并且在進(jìn)一步后固化時(shí)保持穩(wěn)定。延長(zhǎng)后固化時(shí)間后的韌性變化也有類似的趨勢(shì)。
這些結(jié)果表明，在達(dá)到最大力學(xué)性能時(shí)，存在兩個(gè)互穿網(wǎng)絡(luò)的最佳比例，高于該比例，力學(xué)性能達(dá)到平臺(tái)，但略低，但仍然很高。
圖3. 彈性和機(jī)械性能
圖4. DLP打印的強(qiáng)韌彈性體
綜上，打印前驅(qū)體是用容易獲得的試劑以簡(jiǎn)單的步驟合成的，這確保了它的低成本。盡管設(shè)計(jì)機(jī)械性能優(yōu)越的聚合物還有其他既定的原則，但直接將它們應(yīng)用于3D打印是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)閲?yán)格的照片打印要求，包括在光照下快速凝膠化，以及在打印和存儲(chǔ)期間有足夠的容器壽命。盡管如此，它們?yōu)樘娲咝阅?D打印材料的未來發(fā)展提供了有用的提示?？偟膩碚f，該研究表明，3D打印不一定會(huì)損害機(jī)械性能，這為其未來的商業(yè)實(shí)施掃清了一個(gè)主要障礙。
