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增材制造,给你意想不到—— 可3D打印的多功能超弹性硅橡胶泡沫

高分子科学前沿 2019-4-24 9:05:31 点击 0
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[导读]3D打印作为一种常见的增材制造法,以其无与伦比的自由度,绕过了传统复杂和昂贵的成型加工路线,创造出复杂的几何形状。迅速发展的“无模制造”工艺可以从微观尺度控制宏观结构,进而发现材料的多种未知功能。近日,美国凯斯西储大学高分子科学与工程系的RigobertoC. Advincu

3D打印作为一种常见的增材制造法,以其无与伦比的自由度,绕过了传统复杂和昂贵的成型加工路线,创造出复杂的几何形状。迅速发展的“无模制造”工艺可以从微观尺度控制宏观结构,进而发现材料的多种未知功能。

近日,美国凯斯西储大学高分子科学与工程系的RigobertoC. Advincula教授课题组提出了一种新颖的多功能3D打印方案,采用特殊配方的聚二甲基硅氧烷(PDMS)油墨,结合盐浸方法(即添加盐可以作为致孔剂,产生更高的孔隙度)得到的3D打印硅胶泡沫,该泡沫具有三维多孔结构和多维可调性,展现出前所未有的超高弹性,包括极端压缩性(可多次承受超过其自身重量80000倍的压力),超高循环耐久性(1000次压缩后的塑性变形可忽略不计),优异的拉伸性(最大伸长率可达210%),超疏水性(水接触角>150°)等。此外,它的多功能性体还现在,可以作为超吸收剂(吸油能力为1325%)和应变传感器(将碳纳米管(CNT)涂覆在硅泡沫表面即可)。

 


该实验所开发的技术实现了首次通过3D打印制备多孔硅橡胶,并且具有可调节的结构和出色的性能。由于能够轻松打印设计好构架,我们可以在现有的硅树脂泡沫应用中开辟广泛的新功能和应用,包括传感器、软机器人和生物医学材料等。

 

图1. A)利用3D打印制备复杂结构的三维多孔硅弹性体;B-D)分别是f#1至f#3的储能模量(G')和损耗模量(G'');E)在三种不同配方的油墨中加入盐之前和之后的G'变化;F)在三种不同配方的油墨中加入盐之前和之后的屈服应力(τ)变化;G)将所制备的聚二甲基硅氧烷(PDMS)油墨3D打印金字塔。


 

 

图2. A,B)PDMS泡沫内部微观孔隙的扫描电镜(SEM)图。(i-iii)分别是由f#1、f#2、f#3制备的样品;C)3D打印物体中的分层孔隙度的图示。左图:宏观图。中间:SEM下的大孔。右图:SEM下的微孔;D)由3D打印制备章鱼、金字塔、半球和蝴蝶的PDMS泡沫样块;E,F)由3D打印制备立方和狗骨形PDMS泡沫的网格结构,具有三种不同的间隙:0,0.4和0.7mm。


 

图3. A)3D打印金字塔可以在重度压缩后恢复90%;B-G)来自f#1,0.4mm网格间隙的PDMS泡沫的多次压缩性质;B)设定不同应变的循环压缩试验;C)在80%应变下进行10次压缩循环的循环耐久性试验。插图为PDMS泡沫在应变为0%(底部)和80%(顶部)的图像;D)在不同压缩率下的循环压缩测试;E)在60%应变下进行1000次压缩循环的循环耐久性试验;F)在80%应变下进行10次压缩循环的最大应力和总应变损失;G)在60%应变下进行1000次压缩循环的最大应力和总应变损失。

 

图4. A)三种不同配方制备的0.4 mm间隙的网格的压缩测试;B)左:来自f#1的三个不同间隙的狗骨形网格的拉伸试验。右:拉伸试验前后的图像;C)不同配方和网格间隙的压缩模量和最大压缩应力;D)不同配方和网格间隙的拉伸模量和断裂应变;E,F)使用f#1(掺杂CNT)和f#3 3D打印的立方网格和狗骨形网格,以及压缩和拉伸演示图像。

 

图5. A)3D打印的PDMS泡沫的表面亲疏水性,蓝色为水,红色为油;B)PDMS泡沫表面与水滴的接触角图像;C)照片显示,PDMS泡沫在水中的选择性吸油的照片;D)吸收油后的PDMS泡沫发生溶胀;E)不同配方和间隙的PDMS泡沫的吸油性;F)压缩3D打印传感器时的电阻变化。插图:压缩时的光强度变化(左)。CNT在PDMS泡沫上的表面吸附(右);G)在80%应变下10次压缩循环的电阻变化;H)3D打印指环在弯曲时的电阻变化。


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[来源:高分子科学前沿]
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