西安交大提出軟結(jié)構(gòu)復(fù)合3D打印中的強(qiáng)韌粘接技術(shù)

來源： 科技日?qǐng)?bào)

近日，從西安交通大學(xué)獲悉，該校機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、航天航空學(xué)院軟機(jī)器實(shí)驗(yàn)室研究人員與美國工程院院士、哈佛大學(xué)鎖志剛教授合作提出一種軟結(jié)構(gòu)3D打印的強(qiáng)韌粘接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有超強(qiáng)界面粘接的水凝膠/彈性體親疏水異質(zhì)結(jié)構(gòu)的打印。

親疏水復(fù)合結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在，如植物表層、細(xì)胞膜、神經(jīng)軸突等。近年來，基于水凝膠/彈性體的人造親疏水軟結(jié)構(gòu)取得了明顯進(jìn)展，然而其構(gòu)造仍較為簡單，無法媲美天然結(jié)構(gòu)的復(fù)雜構(gòu)造。作為快速成型技術(shù)，3D打印可用于復(fù)雜軟結(jié)構(gòu)的制備，不過面臨著一大挑戰(zhàn)：多材料打印結(jié)構(gòu)的界面粘接性能極差。這種異質(zhì)材料的結(jié)合使細(xì)胞得以傳遞生物電信號(hào)，演化出紛繁復(fù)雜的生命系統(tǒng)。近年來，基于水凝膠-彈性體的親疏水結(jié)構(gòu)取得明顯進(jìn)展，在可拉伸電子、軟體機(jī)器人、摩擦發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。3D打印技術(shù)的引入將使得這一領(lǐng)域在制備技術(shù)上得到進(jìn)一步的提升。然而，現(xiàn)有的親疏水結(jié)構(gòu)在打印過程中尚且不能滿足以下基本要求：以任意順序打印具有良好粘接性能的水凝膠/彈性體復(fù)合結(jié)構(gòu)。

針對(duì)此問題，哈佛大學(xué)鎖志剛教授課題組與西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院軟機(jī)器實(shí)驗(yàn)室提出一種軟結(jié)構(gòu)3D打印的強(qiáng)韌粘接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了具有超強(qiáng)界面粘接的水凝膠/彈性體親疏水異質(zhì)結(jié)構(gòu)的打印。研究人員將聯(lián)接引發(fā)劑溶于彈性體材料中，分別調(diào)節(jié)彈性體預(yù)聚液和水凝膠預(yù)聚液的粘度，將兩者以任意順序3D打印在一起，然后引發(fā)聚合反應(yīng)，形成具有強(qiáng)韌粘接的水凝膠/彈性體復(fù)合體。該方法不同于常用的表面改性，采用本體改性的策略，可為可拉伸器件、軟機(jī)器制備以及其它異質(zhì)材料的復(fù)合3D打印提供一種通用的解決方法。

如圖所示，研究人員分別制備了水凝膠和彈性體預(yù)聚體，并在彈性體內(nèi)摻雜聯(lián)接引發(fā)劑，通過3D打印方式使兩者接觸在一起，紫外引發(fā)交聯(lián)后形成粘接良好的復(fù)合體。此處，研究人員以微球增強(qiáng)的雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠、商用硅膠Ecoflex分別代表親疏水材料，以二苯甲酮作為聯(lián)接引發(fā)劑證明此方法的可行性。打印試樣的粘接能可達(dá)5000 J/m2 以上。

西安交大領(lǐng)銜的科研人員課題組將聯(lián)接引發(fā)劑溶于彈性體材料中，分別調(diào)節(jié)彈性體預(yù)聚液和水凝膠預(yù)聚液的粘度，將兩者以任意順序打印在一起，然后引發(fā)聚合反應(yīng)，形成具有強(qiáng)韌粘接的水凝膠/彈性體復(fù)合體。不同于常規(guī)的表面改性，采用本體改性的策略，打印試樣的粘接能可達(dá)5000 J/m2 以上。該研究成果近日在國際權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》上發(fā)表。

研究人員分別打印了有粘接、無粘接復(fù)合柵格結(jié)構(gòu)并對(duì)其進(jìn)行壓縮。有粘接的試樣經(jīng)受巨大壓縮仍不破壞（a）；而未采取粘接策略的試樣完全不能承載（b）。打印的復(fù)合蜂巢結(jié)構(gòu)即使在經(jīng)歷了70%壓縮應(yīng)變后，仍能彈性回復(fù)（c）。在對(duì)復(fù)合打印的試樣拉伸和溶脹過程中，微球增強(qiáng)的水凝膠保持良好的力學(xué)性質(zhì)（d，f）；而使用普通的PNaNAPS凝膠則發(fā)生拉伸斷裂和溶脹斷裂（e，g）。由此可見，形成穩(wěn)定的親疏水結(jié)構(gòu)既需要良好的粘接，也需要強(qiáng)韌的基體材料。

采用聯(lián)接引發(fā)劑策略實(shí)現(xiàn)的復(fù)合打印異質(zhì)材料間粘接良好。水凝膠，彈性體，打印的復(fù)合體都具有良好的拉伸性能（a），水凝膠的斷裂能高達(dá)10000 J/m2 （b）在引發(fā)劑摻加量僅0.5wt%時(shí)，復(fù)合體的界面已經(jīng)強(qiáng)于基體材料，斷裂發(fā)生在凝膠中而非界面（c-d），超過5000 J/m2。粘接性能隨引發(fā)劑含量的變化（e-f），摻加量僅0.2wt %，仍能實(shí)現(xiàn)超過1000 J/m2 的粘接能。

該方法是解決3D打印軟結(jié)構(gòu)粘接問題的通用方法，適用于多種水凝膠和彈性體，適用于光引發(fā)和熱引發(fā)策略，適用于其他的制備過程（如浸漬涂敷，dip coating），在軟器件的快速成型方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

該研究工作發(fā)表于Advanced Functional Materials。西安交通大學(xué)研究生楊航、李成海、楊孟為共同第一作者。西安交通大學(xué)青年教師唐敬達(dá)，哈佛大學(xué)、美國工程院院士鎖志剛教授為論文共同通訊作者。佐治亞理工齊航教授為合作作者。

據(jù)介紹，此方適用于多種水凝膠和彈性體，光引發(fā)和熱引發(fā)策略，也適用于其他的制備過程（如浸漬涂敷，dip coating），為軟結(jié)構(gòu)的3D打印提供了一種通用的解決方案，在可拉伸器件、軟機(jī)器等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

來源： 科技日?qǐng)?bào)