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【技术前沿】食盐在热固性材料3D打印中的妙用

2019/3/15 23:52:10人浏览

热固性材料由于其出色的力学性能、热稳定性和耐化学性被广泛地应用于航空航天、汽车、船舶和能源等各种产业中。然而热固性材料的加工成型相对困难,大大限制了其应用。3D打印技术是近年来新兴的先进加工手段,因其可快速高效地制造精细复杂的立体结构,方便个性化定制的特点,在诸多领域均展示出了良好的应用前景。如果能够3D打印热固性材料必将大大扩宽其应用。但是大多数热固性材料的成型都需要一个较长的交联过程,难以匹配3D打印连续化的制造方式。因此目前热固性材料的3D打印主要限于光敏树脂,对于大多数的热固性材料尚不能进行有效的3D打印。


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▲3D打印热固性材料策略的设计理念及多样化应用


东华大学纤维材料改性重点国家实验室的游正伟教授团队提出了一种新颖的策略,有效地解决了这一难题。相关成果以《一种3D打印热固性材料的通用策略及其多样化应用》(“A general strategy of 3D printing thermosets for diverse applications”)为题,发表于材料学领域著名学术期刊《Materials Horizons》

该策略的核心是大家再熟悉不过的盐,他们巧妙地将盐粒和热固性材料预聚物结合为复合打印墨水。在打印过程中盐粒起到增稠剂的作用,保证顺利打印成型;同时在热固化过程中,盐粒起到增强剂的作用,实现打印的三维立体结构在高温高真空交联过程中保形;固化成型后,盐粒可以方便地被水溶解除去,从而又作为致孔剂获得了多孔的结构。该策略具有良好的通用性,可以实现多种热固性材料例如交联聚酯、聚氨酯、环氧树脂的直接挤出式3D打印,打印出来的结构还具有常规3D打印难以获得的微孔。

以热固性弹性体为例,开展了应用研究。利用打印弹性体对溶剂的大尺寸溶胀效应和微孔结构高效吸附与解吸作用,构建了可反复循环响应的气体传感器。同时利用3D打印个性化定制的优势构建了梯度化结构的弹性溶剂驱动器,可对溶剂即时响应并发生大尺度的形变,在软体机器人等领域具有潜在的应用前景。进而和上海交通大学附属瑞金医院的赵强和叶晓峰教授团队合作,证实所打印的三维补片可有效治疗心肌梗塞。该工作为3D打印热固性材料提供了简便高效通用的新策略,拓宽了3D打印的应用范围,有望构筑一系列新型的三维功能材料,在多领域具有良好的应用前景。