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3D打印熱固性材料策略的設計理念及多樣化應用。
3D打印熱固性材料策略的設計理念及多樣化應用。
近日,東華大學纖維材料改性重點國家實驗室游正偉教授團隊在3D打印熱固性材料領域取得重要進展,相關成果以《一種3D打印熱固性材料的通用策略及其多樣化應用》(A general strategy of 3D printing thermosets fordiverse applications)和《3D打印一體定制彈性可持續的面向可穿戴電子設備的摩擦納米發電機》(A Single Integrated 3D‐Printing Process Customizes Elastic and Sustainable Triboelectric Nanogenerators for Wearable Electronics)為題,分別發表於材料學領域著名期刊《Materials Horizons》和《Advanced Functional Materials》。

鹽粒 熱固性材料預聚物=3D“複合打印墨水”

3D打印技術是近年來新興的先進加工手段,因其可快速高效地製造精細複雜的立體結構,方便個性化定制等特點,在諸多領域均展示出良好的應用前景。

熱固性材料具有出色的力學性能、熱穩定性和耐化學性,被廣泛地應用於航空航天、汽車、船舶和能源等各種產業中,然而大多數熱固性材料尤其是非光固化一類材料的成型都需要一個較長的交聯過程,難以匹配3D打印連續化的製造方式。

如何讓前沿3D技術成功駕馭熱固性材料,在拓展可3D打印材料種類的同時又增加熱固性材料的設計和加工自由度?

對此,游正偉教授團隊提出了一種新穎的策略,他們巧妙地將鹽粒和熱固性材料預聚物結合為可3D打印的“複合墨水”,鹽粒在3D打印過程中起到增稠劑的作用,保證順利打印成型;同時在熱固化過程中,鹽粒又起到增強劑的作用,實現打印的三維立體結構在高溫高真空交聯過程中保形。

在打印過程中鹽粒固化成型後,鹽粒可以方便地被水溶解除去,從而又作為致孔劑獲得了多孔的結構。該策略具有良好的通用性,可以實現多種熱固性材料例如交聯聚酯、聚氨酯、環氧樹脂的直接擠出式3D打印,打印出來的結構還具有常規3D打印難以獲得的微孔。

靈感源自土木工程中常用的混凝土材料

生活中最常見的食鹽竟然有如此妙用,《一種3D打印熱固性材料的通用策略及其多樣化應用》第一作者東華大學博士生雷東介紹說,加入食鹽的靈感來源於土木工程中常用的混凝土材料,水泥混入一定比例的石子、沙子等填充材料用以加固支撐結構,提高抗壓強度。

從靈感產生到應用於實驗,雷東說,課題組成員沒少花功夫,對食鹽粒徑大小、復配方式及比例、打印溫度、打印速率等多項參數都進行了反復試驗,以求達優化到最佳實驗效果。

課題組以熱固性彈性體為例,開展了相關應用研究。利用打印彈性體對溶劑的大尺寸溶脹效應和微孔結構高效吸附與解吸作用,構建了可反復循環響應的氣體傳感器。

利用3D打印個性化定制的優勢構建了梯度化結構的柔性溶劑驅動器,可對溶劑即時響應並發生大尺度的形變,在軟體機器人等領域具有潛在的應用前景。

另外課題組和上海交通大學附屬瑞金醫院的趙強教授和葉曉峰副主任醫師團隊合作,證實採用該技術所打印熱固性的三維多孔支架具有良好的力學強度、彈性和耐疲勞性,可作為心肌補片而有效治療大鼠心肌梗塞模型。



3D打印柔性驅動器。


該支架具有很好的生物相容性和可降解性,能夠根據個體需求3D打印定制,未來還可以和藥物複合,實現藥物的緩釋,為疾病治療和組織缺損再生修復等提供個性化新方案。

摩擦納米發電機3D打印一體成型

有沒有想過未來動動手指就能給手機充電?有沒有想過植入人體的醫用元件永不斷電還能在人體內自然降解……摩擦納米發電機的發明給我們帶來未來生活空間的無限暢想。但是目前摩擦納米發電機通常需要各部分分別製備然後組裝,較難構築不規則形狀,限制了其應用。

在《3D打印一體定制彈性可持續的面向可穿戴電子設備的摩擦納米發電機》一文中,游正偉教授團隊和俞昊教授團隊聯合攻關,該工作電學性能測試與俞昊教授團隊合作完成,基於熱固性材料3D打印新技術,構築了具有三維立體多孔結構的摩擦納米發電機(3DP-TENG)。

該摩擦納米發電機利用聚癸二酸甘油酯(PGS)為熱固性彈性基材和一種摩擦材料,碳納米管(CNTs)分散其中構成導電網絡和另外一種摩擦材料。製備中以PGS預聚物、CNTs和鹽粒為打印墨水,鹽粒作為致孔劑獲得的每一個微孔相當於一個摩擦納米發電機。

被擠壓時,微孔上下管壁接觸,PGS和CNTs發生電荷轉移,外力撤去時,微孔恢復原狀,電荷被分離在上下管壁的PGS和CNTs中,從而在CNTs與大地之間產生電勢差,加上外導線就構成了電流,大量的微孔協同工作,因而獲得了良好的摩擦發電效能。
  
該項研究實現了摩擦納米發電機的3D打印一體成型,在可穿戴設備上具有廣闊的應用前景。研究團隊依人體工學打印了三維鞋墊,穿上步行時可以有效點亮LED燈和對電子表進行充電。

而3D打印的“指環”狀器件則可以根據輸出的電信號,方便地監控手指的彎曲,感知彎曲的頻率和角度。



全生命周期環境友好型電子設備示意圖




這還是一款環保型的3D打印摩擦納米發電機

還值得一提的是,此項研究工作中3D打印的摩擦納米發電機是一個全生命周期環境友好型的電子設備。作為基體材料的聚癸二酸甘油酯是通過從蓖麻油中提煉的癸二酸和以天然油脂為原料制得的甘油縮聚而得,使用後可以完全降解,碳納米管則可以方便地回收再利用,性能保持不變。

而3D打印這種增材製作技術又使得原材料得到充分利用。“環境友好型材料是課題組一直以來堅定的研究方向,取之於自然,用之於社會,最終又回歸到自然。”

游正偉教授告訴記者,綠色環保的理念一直貫穿於課題組科研攻關的每一個關節,“創新”與“協作”是他反復跟學生強調的兩大科研“秘籍”,要對標國際瞄準學科發展前沿做研究,更要“敞開門”協同合作發揮最強合力。



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