Kombinationen af fleksibilitet og elasticitet gør elastiske materialer essentielle i en lang række industrier, herunder bilindustrien, byggeri og forbrugsvarer. Desuden er de mere og mere attraktive inden for nye områder som mikrofluidik, blød robotik, wearables og medicinsk udstyr. Men at have tilstrækkelig mekanisk styrke er en forudsætning for enhver anvendelse. At løse de tilsyneladende modstridende egenskaber mellem blødhed og styrke har således altid været en evig stræben.
Naturlig edderkoppesilke har ekstraordinær styrke, hvilket giver en kontinuerlig inspirationskilde til at designe syntetiske bløde materialer. Selvom dens unikke overbygning er svær at kopiere, giver det mere generelle princip om at designe lagdelte strukturer nyttige tips til design af elastiske materialer med høj mekanisk styrke. Ovenstående designprincipper kan dog ikke anvendes direkte på digital lysbehandling (DLP)-baseret 3D-print. DLP-udskrivning kræver hurtig lyshærdning for at opnå den nødvendige hurtige gelering. Derfor indeholder fotopolymerharpikser typisk en betydelig mængde multifunktionelle acrylater eller methacrylater, hvilket i høj grad begrænser friheden ved molekylært design. Derudover kan hurtig størkning føre til ujævn netværksdannelse og resterende spændinger, som også er skadelige for den mekaniske ydeevne.
Potentialet for storskalaproduktion af 3D-print hindres af dens lave produktionseffektivitet (printhastighed) og utilstrækkelige produktkvalitet (mekanisk ydeevne). De seneste fremskridt inden for ultrahurtig 3D-print af fotopolymer afhjælper problemet med produktionseffektivitet, men de typiske mekaniske egenskaber ved trykt polymer er stadig langt bagefter traditionelle behandlingsteknikker.
For nylig offentliggjorde professor Xie Tao og Associate Researcher Wu Jingjuns team fra School of Chemical Engineering and Bioengineering ved Zhejiang University en artikel med titlen "3D-printbare elastomerer med exceptionel styrke og sejhed" i Nature. Undersøgelsen rapporterede en 3D-fotoprintet harpikskemi, der producerede elastomerer med en trækstyrke på 94,6 MPa og en sejhed på 310,4 MJ m-3, hvilket langt overstiger enhver 3D-printet elastomer. Mekanisk set opnås dette ved at udskrive dynamiske kovalente bindinger i polymerer, hvilket muliggør rekonfiguration af netværkstopologi og letter dannelsen af hierarkiske hydrogenbindinger (især amidhydrogenbindinger), mikrofaseseparation og interpenetrerende strukturer, hvorved der synergistisk fremmes fremragende mekaniske egenskaber. Dette arbejde giver en lysere fremtid for storskalaproduktion ved hjælp af 3D-print.
Figur 1: Kemisk design af 3D fotoprintede elastomerer © 2024 Springer Nature
Figur 2. Mekaniske egenskaber af elastomerer og deres forstærknings- og hærdningsmekanismer © 2024 Springer Nature
Figur 3. Elastomerers elasticitet og mekaniske egenskaber © 2024 Springer Nature
Figur 4: Stærke og seje elastomerer trykt af DLP © 2024 Springer Nature
Evnen til at 3D-printe superstærke og ultrahårde materialer i dette værk udvider dets anvendelsesområde under ekstremt barske forhold, langt ud over de to eksempler, der præsenteres i artiklen. Derudover blev udskrivningsforløberen i dette arbejde syntetiseret ved hjælp af let tilgængelige reagenser i enkle trin, hvilket sikrede dens lave omkostninger. Selvom der er andre etablerede principper for design af polymerer med overlegne mekaniske egenskaber, er det udfordrende at anvende dem direkte til 3D-print på grund af de strenge krav til fotoprint, herunder hurtig gel under lys og tilstrækkelig beholderlevetid under print og opbevaring. Ikke desto mindre giver de nyttig indsigt til den fremtidige udvikling af alternative højtydende 3D-printmaterialer. Samlet set tyder undersøgelsen på, at 3D-printning ikke nødvendigvis kompromitterer den mekaniske ydeevne, hvilket fjerner en stor hindring for dens fremtidige kommercielle implementering.
SAT NANO er en bedste leverandør af metalpulver og legeringspulver til 3D-udskrivning i Kina, vi kan også levere 3D-printservice, hvis du har nogen forespørgsel, er du velkommen til at kontakte os på sales03@satnano.com
