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蘇州大學(xué)朱健教授團(tuán)隊(duì)《Macromolecules》:黃原酸酯作為RAFT試劑及光引發(fā)劑構(gòu)建快速耐氧的活性3D打印
2022-02-18  來(lái)源:高分子科技

  基于光聚合技術(shù)的3D打印是綠色、快速且具有突出時(shí)空控制性的增材制造方法。近幾年,基于光引發(fā)可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移 (RAFT) 聚合的3D打印正在成為一種新穎的可制備“活性”材料的方法。該方法所制備材料中聚合物鏈含有活性末端,可進(jìn)一步進(jìn)行材料后修飾及功能化,在制備刺激響應(yīng)性、自修復(fù)等各種功能材料領(lǐng)域體現(xiàn)出重大潛在應(yīng)用。然而,已有體系通常使用三硫代酯型RAFT試劑,聚合速率較慢,往往需要加入額外的光催化劑或引發(fā)劑,增加了成本且可能為材料帶來(lái)一定毒性。


  近期,蘇州大學(xué)朱健教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用黃原酸酯 O-乙基-S-2-乙基丙酸酯(EXEP)同時(shí)作為RAFT試劑及光引發(fā)劑,構(gòu)建了快速耐氧的活性3D打印方法,具有組分簡(jiǎn)單,成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。該黃原酸酯中C-S鍵斷裂能低于類似結(jié)構(gòu)的三硫代酯(圖1A),在相同條件下產(chǎn)生的自由基濃度遠(yuǎn)高于三硫代酯(圖1C),可用來(lái)快速消耗打印樹脂中少量的溶解氧。同時(shí),EXEP具有更低的鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)并且其所形成中間體自由基具有更高活性,這為構(gòu)建快速聚合體系提供了理論基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)一系列條件優(yōu)化后,在405nm的紫光輻射下,作者實(shí)現(xiàn)了EXEP存在下不同單體的快速RAFT交聯(lián)(圖2)。

 


圖 1  A) EXEP 和 TTC-1 的 斷裂鍵能BDE; B) 電子自旋捕獲實(shí)驗(yàn)機(jī)理; C) DMPO 與 EXEP 和 TTC-1 在光照射20 s (λ = 325–480 nm) 下的 ESR 光譜

 


圖2 A) DLP-3D打印示意圖; B) 聚合機(jī)理以及所使用到的打印單體和RAFT試劑; C) 不同單體在EXEP存在下光聚合的轉(zhuǎn)化率時(shí)間曲線; D) 不同單體/EXEP比例光聚合的轉(zhuǎn)化率時(shí)間曲線; E) 不同RAFT試劑存在下PEGDA200光聚合的轉(zhuǎn)化率時(shí)間曲線

 

  由于所打印材料中聚合物鏈含有EXEP結(jié)構(gòu)的端基,可以通過(guò)光引發(fā)聚合的方式在材料表面進(jìn)一步修飾其它單體;谶@一點(diǎn),作者成功實(shí)現(xiàn)了聚合物焊接的應(yīng)用(圖3A, B)。通過(guò)在聚合物樣條斷裂面涂抹上單體,再次利用405nm光照即可實(shí)現(xiàn)斷裂樣條的焊接,焊接完的樣條仍具有可觀的力學(xué)強(qiáng)度(圖3C, D)。最后,作者將該方法成功地運(yùn)用到商業(yè)化的基于數(shù)字光處理(DLP)技術(shù)的 3D打印機(jī)中,實(shí)現(xiàn)了不同形狀結(jié)構(gòu)物體的3D打印和焊接(圖4),為制造新型功能材料提供了方便的途徑。

 


圖3 A) 聚合物樣條焊接機(jī)理; B) 聚合物樣條焊接過(guò)程; C) 原始樣條以及焊接樣條拉伸曲線; D) 焊接樣條支撐500 g 重物

 


圖 4 3D打印及焊接


  該工作以“Xanthate-Based Photoiniferter RAFT Polymerization toward Oxygen-Tolerant and Rapid Living 3D Printing”為題發(fā)表在《Macromolecules》上 (DOI: 10.1021/acs.macromol.1c02521)。論文第一作者是蘇州大學(xué)在讀碩士生趙博文,通訊作者為蘇州大學(xué)朱健教授李佳佳博士。

 

  該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于光引發(fā)可控聚合在3D打印中應(yīng)用的進(jìn)展之一。近年來(lái),該團(tuán)隊(duì)在光引發(fā)自由基/陽(yáng)離子聚合領(lǐng)域開展了系列工作(Chem. Commun.201955, 7045; ACS Macro Lett.20209, 1799; ACS Macro Lett.202110, 570; Macromolecules2021, 54, 6502; Angew. Chem. 2021133, 19857; ACS Macro Lett.202110, 1315; ACS Macro Lett.202211, 230; Chem. Eng. J. 2022, 134828)

 

  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.1c00555

  下載:Xanthate-Based Photoiniferter RAFT Polymerization toward Oxygen-Tolerant and Rapid Living 3D Printing

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