Сочетание гибкости и эластичности делает эластичные материалы незаменимыми в широком спектре отраслей промышленности, включая автомобилестроение, строительство и производство потребительских товаров. Более того, они становятся все более привлекательными в новых областях, таких как микрофлюидика, мягкая робототехника, носимые устройства и медицинские устройства. Однако наличие достаточной механической прочности является обязательным условием для любого применения. Таким образом, решение, казалось бы, противоречивых свойств между мягкостью и прочностью всегда было вечным занятием.
Натуральный паучий шелк обладает необычайной прочностью, что является постоянным источником вдохновения для создания мягких синтетических материалов. Хотя его уникальную суперструктуру трудно воспроизвести, более общий принцип проектирования слоистых структур дает полезные подсказки для создания эластичных материалов с высокой механической прочностью. Однако вышеуказанные принципы проектирования не могут быть напрямую применены к 3D-печати на основе цифровой обработки света (DLP). DLP-печать требует быстрого светоотверждения для достижения необходимого быстрого гелеобразования. Поэтому фотополимерные смолы обычно содержат значительное количество многофункциональных акрилатов или метакрилатов, что серьезно ограничивает свободу молекулярного дизайна. Кроме того, быстрое затвердевание может привести к неравномерному образованию сетки и остаточным напряжениям, что также отрицательно сказывается на механических характеристиках.
Потенциал крупномасштабного производства 3D-печати сдерживается низкой эффективностью производства (скоростью печати) и недостаточным качеством продукции (механическими характеристиками). Последние достижения в области сверхбыстрой 3D-печати фотополимеров облегчают проблему эффективности производства, однако типичные механические свойства печатного полимера все еще сильно отстают от традиционных методов обработки.
Недавно команда профессора Се Тао и младшего научного сотрудника У Цзинцзюня из Школы химической инженерии и биоинженерии Университета Чжэцзян опубликовала в журнале Nature статью под названием «Эластомеры для 3D-печати с исключительной прочностью и вязкостью». В исследовании сообщалось о химическом составе смолы, напечатанной на 3D-принтере, который позволил получить эластомеры с прочностью на разрыв 94,6 МПа и ударной вязкостью 310,4 МДж м-3, что намного превосходит любой эластомер, напечатанный на 3D-принтере. С механической точки зрения, это достигается путем печати динамических ковалентных связей в полимерах, что позволяет реконфигурировать топологию сети и облегчает образование иерархических водородных связей (особенно амидных водородных связей), микрофазное разделение и взаимопроникающие структуры, тем самым синергически обеспечивая превосходные механические свойства. Эта работа обеспечивает светлое будущее для крупномасштабного производства с использованием 3D-печати.
Рисунок 1. Химический дизайн эластомеров, напечатанных с помощью 3D-фотопечати © 2024 Springer Nature
Рисунок 2. Механические свойства эластомеров и механизмы их упрочнения и повышения ударной вязкости © 2024 Springer Nature
Рисунок 3. Эластичность и механические свойства эластомеров © 2024 Springer Nature
Рисунок 4. Прочные и жесткие эластомеры, напечатанные с помощью DLP © 2024 Springer Nature.
Возможность 3D-печати сверхпрочных и сверхжестких материалов в этой работе расширяет диапазон ее использования в чрезвычайно суровых условиях, далеко за пределы двух примеров, представленных в статье. Кроме того, прекурсор печати в данной работе был синтезирован с использованием легкодоступных реагентов в простые стадии, что обеспечило его низкую стоимость. Хотя существуют и другие устоявшиеся принципы создания полимеров с превосходными механическими свойствами, их сложно напрямую применить к 3D-печати из-за строгих требований к фотопечати, включая быстрое гелеобразование под действием света и достаточный срок службы контейнера во время печати и хранения. Тем не менее, они дают полезную информацию для будущей разработки альтернативных высокопроизводительных материалов для 3D-печати. В целом исследование показывает, что 3D-печать не обязательно ухудшает механические характеристики, что устраняет серьезное препятствие для ее будущего коммерческого внедрения.
SAT NANO является лучшим поставщиком металлического порошка и порошка сплавов для 3D-печати в Китае. Мы также можем предоставить услуги 3D-печати. Если у вас есть какие-либо вопросы, пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу sales03@satnano.com
