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英屬哥倫比亞大學姜鋒團隊《ACS Nano》：創新水性聚氨酯油墨3D打印 - 實現高性能彈性體的制備新路徑

2024-10-10 來源：高分子科技

彈性聚氨酯憑借其設計靈活性和出色彈性性能，在鞋類、軟體機器人等領域獲得了廣泛應用。然而，傳統3D打印技術（如FDM、VPP）受限于熱塑性或光固化聚氨酯材料，且對加工溫度和材料選擇有限制，難以滿足特殊領域的需求。

對此，英屬哥倫比亞大學姜鋒團隊開發了一種創新的水性聚氨酯（WPU）油墨，通過引入纖維素納米纖維（CNF）實現室溫下的3D打印，克服了傳統工藝的局限。該團隊創新性地引入溶劑誘導快速固化（SIFS）技術，加速室溫固化過程，顯著增強了打印結構的機械性能。實驗結果表明，3D打印的WPU結構具備出色的界面粘合力，極限拉伸強度高達22 MPa，斷裂伸長率可達951%。這些結構在100次壓縮和拉伸循環中保持穩定，展現出卓越的回彈性和耐久性。相關研究成果以 “Direct Ink Writing 3D Printing Elastomeric Polyurethane Aided by Cellulose Nanofibrils” 為題發表在《ACS Nano》上。

研究團隊利用DIW 3D打印技術，開發出CNF改性WPU油墨，并引入溶劑誘導快速固化（SIFS）方法，實現了室溫下快速固化。與傳統工藝相比，SIFS技術大大簡化了后處理過程，使3D打印結構能夠保持原始設計形狀并展現卓越彈性性能。圖1中展示了WPU-CNF油墨從擠出、干燥到固化的完整3D打印流程，最終形成穩定的彈性體結構。循環壓縮測試證實打印結構在100次壓縮后保持良好的形狀和機械性能。

圖1：直寫式3D打印：從油墨制備到固化性能

研究發現，CNF的引入顯著改變了WPU乳液粒子的形態和流變性能。隨著CNF濃度從0.3%增加至0.9%，WPU乳液納米粒子的平均直徑從223 ± 82 nm顯著減小至56 ± 10 nm，展現出CNF在穩定油-水乳液中的優異乳化能力。與此同時，CNF對油墨的粘度和儲能模量（G''）產生了顯著影響，使其在3D打印過程中的形狀保持和穩定性大大提升（圖2）。

圖2：CNF的流變特性與油墨性能

實驗顯示，3D打印的WPU-CNF結構在不同填充密度（10%、20%、30%）下干燥后仍保持良好形狀，并呈現65.7-74.7%的體積收縮，表明聚氨酯鏈在干燥過程中相互作用強烈，導致結構致密。SEM圖像顯示打印線條層疊良好，層間融合明顯，增強了機械性能。此外，WPU-CNF彈性體表現出對多種溶劑的優異耐受性，保持結構穩定，遠超商業TPU打印材料。

圖3：3D打印結構的形貌

3D打印WPU-CNF樣品在拉伸和壓縮測試中均表現出優異的力學性能。30%填充密度的樣品在50%壓縮后可完全恢復形狀，極限壓縮測試中樣品在1735 kg汽車壓力下高度僅縮減7.5%。循環拉伸測試顯示其在多次拉伸后能量損失和拉伸應力趨于穩定，具備優異抗疲勞性（圖4）。

圖4：3D打印樣品的壓縮性能

3D打印的WPU-CNF彈性體同時具有出色的拉伸性能，WPU-CNF-0.9%樣品展現出更高的極限應力、楊氏模量和韌性，最大伸長率達900%，遠超目前大部分報道過的3D打印聚氨酯彈性體，且拉伸強度可達20 MPa。循環拉伸測試顯示樣品具備優異的抗疲勞性，能量損失和拉伸應力在多次拉伸后趨于穩定。（圖5）

圖5：3D打印樣品的拉伸性能

憑借WPU-CNF油墨優異的流變特性，研究團隊成功打印出多種復雜形狀結構，應用包括定制密封圈、鞋底、柔性薄膜、橡膠玩具和花瓶，展現出材料的尺寸可控性、柔韌性和耐久性，充分發揮其在3D打印中的潛力。（圖6）

圖6：復雜結構的3D打印應用

本研究通過直寫式3D打�。―IW）技術，實現了高性能彈性聚氨酯的制備，顯著提升了油墨的可打印性和機械性能。打印結構通過SIFS固化和空氣干燥形成致密彈性體，拉伸斷裂伸長率達951%，耐久性優異。該研究拓寬了DIW 3D打印彈性體的應用范圍，為高性能聚氨酯材料的制備提供了新思路。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c07681

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（責任編輯：xu）

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