供稿人:馮帆、賀健康 發(fā)布日期：2017-09-25
3D打印技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，其打印工藝原理和所能打印的材料呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。其中，通過(guò)噴頭擠出的直寫技術(shù)得到了更為廣泛的應(yīng)用。這種技術(shù)所采用的打印材料主要是熱塑性的聚合物，加熱擠出后遇冷凝固成特定的形狀，但很難實(shí)現(xiàn)彈性聚合物的3D打印，因?yàn)樗那膀?qū)體在正常情況下是流體。比如PDMS這種材料，其具有精確的復(fù)制再現(xiàn)性和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)生醫(yī)療和工業(yè)等領(lǐng)域；通常以PDMS為材料的器件一般制作方法都是根據(jù)所設(shè)計(jì)的模具，將一定比例的PDMS預(yù)聚體和固化劑倒入模具抽真空加熱，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力。
近日，來(lái)自美國(guó)、荷蘭和英國(guó)的一些研究人員在Advanced Materials雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究成果中實(shí)現(xiàn)了PDMS的3D打印。這些研究人員受到了來(lái)自海灘上“沙雕”的啟發(fā)，利用顆粒間的毛細(xì)管橋作用將相鄰的顆粒“拉”一起實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的堆積。圖1所示的是打印原理，研究人員通過(guò)乳化的方法制備出含有PDMS微珠的水懸浮液，并將其與未交聯(lián)的PDMS膠混合覆蓋在微珠表面；通過(guò)噴頭擠出施加的外力形成了毛細(xì)管橋，這種糊狀物可以形成三維立體結(jié)構(gòu)，再通過(guò)加熱交聯(lián)形成固態(tài)彈性結(jié)構(gòu)。
圖1 PDMS打印原理
此外研究人員還探索了不同體積百分比的PDMS流體膠對(duì)力學(xué)性能的影響，得到了最優(yōu)的比例范圍。通過(guò)電鏡觀察到了不同體積比例的PDMS纖維表面的形貌，發(fā)現(xiàn)由于在加熱過(guò)程中導(dǎo)致的水分的蒸發(fā)，纖維呈現(xiàn)出多孔狀。
圖2 PDMS纖維微觀結(jié)構(gòu)
研究人員利用這種方法打印了不同的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出十分良好的力學(xué)性能，并且由于其多孔的結(jié)構(gòu)性能，使得原本疏水的PDMS呈現(xiàn)出某種親水特性，如圖3b所示，PDMS纖維自動(dòng)包裹在了水珠表面。未來(lái)，隨著這項(xiàng)技術(shù)的不斷成熟，有望在軟體機(jī)器人和刺激響應(yīng)聚合物材料得到更加廣泛的研究和應(yīng)用。
圖3 利用3D打印PDMS實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)