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英屬哥倫比亞大學(xué)姜鋒團隊《ACS Nano》：創(chuàng)新水性聚氨酯油墨3D打印 - 實現(xiàn)高性能彈性體的制備新路徑

2024-10-10 來源：高分子科技

彈性聚氨酯憑借其設(shè)計靈活性和出色彈性性能，在鞋類、軟體機器人等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)3D打印技術(shù)（如FDM、VPP）受限于熱塑性或光固化聚氨酯材料，且對加工溫度和材料選擇有限制，難以滿足特殊領(lǐng)域的需求。

對此，英屬哥倫比亞大學(xué)姜鋒團隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的水性聚氨酯（WPU）油墨，通過引入纖維素納米纖維（CNF）實現(xiàn)室溫下的3D打印，克服了傳統(tǒng)工藝的局限。該團隊創(chuàng)新性地引入溶劑誘導(dǎo)快速固化（SIFS）技術(shù)，加速室溫固化過程，顯著增強了打印結(jié)構(gòu)的機械性能。實驗結(jié)果表明，3D打印的WPU結(jié)構(gòu)具備出色的界面粘合力，極限拉伸強度高達22 MPa，斷裂伸長率可達951%。這些結(jié)構(gòu)在100次壓縮和拉伸循環(huán)中保持穩(wěn)定，展現(xiàn)出卓越的回彈性和耐久性。相關(guān)研究成果以 “Direct Ink Writing 3D Printing Elastomeric Polyurethane Aided by Cellulose Nanofibrils” 為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

研究團隊利用DIW 3D打印技術(shù)，開發(fā)出CNF改性WPU油墨，并引入溶劑誘導(dǎo)快速固化（SIFS）方法，實現(xiàn)了室溫下快速固化。與傳統(tǒng)工藝相比，SIFS技術(shù)大大簡化了后處理過程，使3D打印結(jié)構(gòu)能夠保持原始設(shè)計形狀并展現(xiàn)卓越彈性性能。圖1中展示了WPU-CNF油墨從擠出、干燥到固化的完整3D打印流程，最終形成穩(wěn)定的彈性體結(jié)構(gòu)。循環(huán)壓縮測試證實打印結(jié)構(gòu)在100次壓縮后保持良好的形狀和機械性能。

圖1：直寫式3D打印：從油墨制備到固化性能

研究發(fā)現(xiàn)，CNF的引入顯著改變了WPU乳液粒子的形態(tài)和流變性能。隨著CNF濃度從0.3%增加至0.9%，WPU乳液納米粒子的平均直徑從223 ± 82 nm顯著減小至56 ± 10 nm，展現(xiàn)出CNF在穩(wěn)定油-水乳液中的優(yōu)異乳化能力。與此同時，CNF對油墨的粘度和儲能模量（G''）產(chǎn)生了顯著影響，使其在3D打印過程中的形狀保持和穩(wěn)定性大大提升（圖2）。

圖2：CNF的流變特性與油墨性能

實驗顯示，3D打印的WPU-CNF結(jié)構(gòu)在不同填充密度（10%、20%、30%）下干燥后仍保持良好形狀，并呈現(xiàn)65.7-74.7%的體積收縮，表明聚氨酯鏈在干燥過程中相互作用強烈，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)致密。SEM圖像顯示打印線條層疊良好，層間融合明顯，增強了機械性能。此外，WPU-CNF彈性體表現(xiàn)出對多種溶劑的優(yōu)異耐受性，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，遠超商業(yè)TPU打印材料。

圖3：3D打印結(jié)構(gòu)的形貌

3D打印WPU-CNF樣品在拉伸和壓縮測試中均表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。30%填充密度的樣品在50%壓縮后可完全恢復(fù)形狀，極限壓縮測試中樣品在1735 kg汽車壓力下高度僅縮減7.5%。循環(huán)拉伸測試顯示其在多次拉伸后能量損失和拉伸應(yīng)力趨于穩(wěn)定，具備優(yōu)異抗疲勞性（圖4）。

圖4：3D打印樣品的壓縮性能

3D打印的WPU-CNF彈性體同時具有出色的拉伸性能，WPU-CNF-0.9%樣品展現(xiàn)出更高的極限應(yīng)力、楊氏模量和韌性，最大伸長率達900%，遠超目前大部分報道過的3D打印聚氨酯彈性體，且拉伸強度可達20 MPa。循環(huán)拉伸測試顯示樣品具備優(yōu)異的抗疲勞性，能量損失和拉伸應(yīng)力在多次拉伸后趨于穩(wěn)定。（圖5）

圖5：3D打印樣品的拉伸性能

憑借WPU-CNF油墨優(yōu)異的流變特性，研究團隊成功打印出多種復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用包括定制密封圈、鞋底、柔性薄膜、橡膠玩具和花瓶，展現(xiàn)出材料的尺寸可控性、柔韌性和耐久性，充分發(fā)揮其在3D打印中的潛力。（圖6）

圖6：復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D打印應(yīng)用

本研究通過直寫式3D打印（DIW）技術(shù)，實現(xiàn)了高性能彈性聚氨酯的制備，顯著提升了油墨的可打印性和機械性能。打印結(jié)構(gòu)通過SIFS固化和空氣干燥形成致密彈性體，拉伸斷裂伸長率達951%，耐久性優(yōu)異。該研究拓寬了DIW 3D打印彈性體的應(yīng)用范圍，為高性能聚氨酯材料的制備提供了新思路。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c07681

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（責(zé)任編輯：xu）

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