增材制造，給你意想不到—— 可3D打印的多功能超彈性硅橡膠泡沫

來源：高分子科學(xué)前沿

3D打印作為一種常見的增材制造法，以其無與倫比的自由度，繞過了傳統(tǒng)復(fù)雜和昂貴的成型加工路線，創(chuàng)造出復(fù)雜的幾何形狀。迅速發(fā)展的“無模制造”工藝可以從微觀尺度控制宏觀結(jié)構(gòu)，進而發(fā)現(xiàn)材料的多種未知功能。

近日，美國凱斯西儲大學(xué)高分子科學(xué)與工程系的RigobertoC. Advincula教授課題組提出了一種新穎的多功能3D打印方案，采用特殊配方的聚二甲基硅氧烷（PDMS）油墨，結(jié)合鹽浸方法（即添加鹽可以作為致孔劑，產(chǎn)生更高的孔隙度）得到的3D打印硅膠泡沫，該泡沫具有三維多孔結(jié)構(gòu)和多維可調(diào)性，展現(xiàn)出前所未有的超高彈性，包括極端壓縮性（可多次承受超過其自身重量80000倍的壓力），超高循環(huán)耐久性（1000次壓縮后的塑性變形可忽略不計），優(yōu)異的拉伸性（最大伸長率可達210％），超疏水性（水接觸角>150°）等。此外，它的多功能性體還現(xiàn)在，可以作為超吸收劑（吸油能力為1325％）和應(yīng)變傳感器（將碳納米管（CNT）涂覆在硅泡沫表面即可）。

該實驗所開發(fā)的技術(shù)實現(xiàn)了首次通過3D打印制備多孔硅橡膠，并且具有可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu)和出色的性能。由于能夠輕松打印設(shè)計好構(gòu)架，我們可以在現(xiàn)有的硅樹脂泡沫應(yīng)用中開辟廣泛的新功能和應(yīng)用，包括傳感器、軟機器人和生物醫(yī)學(xué)材料等。

圖1. A）利用3D打印制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的三維多孔硅彈性體；B-D）分別是f＃1至f＃3的儲能模量（G'）和損耗模量（G''）；E）在三種不同配方的油墨中加入鹽之前和之后的G'變化；F）在三種不同配方的油墨中加入鹽之前和之后的屈服應(yīng)力（τ）變化；G）將所制備的聚二甲基硅氧烷（PDMS）油墨3D打印金字塔。

圖2. A，B）PDMS泡沫內(nèi)部微觀孔隙的掃描電鏡（SEM）圖。（i-iii）分別是由f＃1、f＃2、f＃3制備的樣品；C）3D打印物體中的分層孔隙度的圖示。左圖：宏觀圖。中間：SEM下的大孔。右圖：SEM下的微孔；D）由3D打印制備章魚、金字塔、半球和蝴蝶的PDMS泡沫樣塊；E，F(xiàn)）由3D打印制備立方和狗骨形PDMS泡沫的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，具有三種不同的間隙：0，0.4和0.7mm。

圖3. A）3D打印金字塔可以在重度壓縮后恢復(fù)90％；B-G）來自f＃1，0.4mm網(wǎng)格間隙的PDMS泡沫的多次壓縮性質(zhì)；B）設(shè)定不同應(yīng)變的循環(huán)壓縮試驗；C）在80％應(yīng)變下進行10次壓縮循環(huán)的循環(huán)耐久性試驗。插圖為PDMS泡沫在應(yīng)變?yōu)?％（底部）和80％（頂部）的圖像；D）在不同壓縮率下的循環(huán)壓縮測試；E）在60％應(yīng)變下進行1000次壓縮循環(huán)的循環(huán)耐久性試驗；F）在80％應(yīng)變下進行10次壓縮循環(huán)的最大應(yīng)力和總應(yīng)變損失；G）在60％應(yīng)變下進行1000次壓縮循環(huán)的最大應(yīng)力和總應(yīng)變損失。

圖4. A）三種不同配方制備的0.4 mm間隙的網(wǎng)格的壓縮測試；B）左：來自f＃1的三個不同間隙的狗骨形網(wǎng)格的拉伸試驗。右：拉伸試驗前后的圖像；C）不同配方和網(wǎng)格間隙的壓縮模量和最大壓縮應(yīng)力；D）不同配方和網(wǎng)格間隙的拉伸模量和斷裂應(yīng)變；E，F(xiàn)）使用f＃1（摻雜CNT）和f＃3 3D打印的立方網(wǎng)格和狗骨形網(wǎng)格，以及壓縮和拉伸演示圖像。

圖5. A）3D打印的PDMS泡沫的表面親疏水性，藍色為水，紅色為油；B）PDMS泡沫表面與水滴的接觸角圖像；C）照片顯示，PDMS泡沫在水中的選擇性吸油的照片；D）吸收油后的PDMS泡沫發(fā)生溶脹；E）不同配方和間隙的PDMS泡沫的吸油性；F）壓縮3D打印傳感器時的電阻變化。插圖：壓縮時的光強度變化（左）。CNT在PDMS泡沫上的表面吸附（右）；G）在80％應(yīng)變下10次壓縮循環(huán)的電阻變化；H）3D打印指環(huán)在彎曲時的電阻變化。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201900469

來源：高分子科學(xué)前沿