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3D打印聚合物:这种材料会产生柔软,有弹性的物体,感觉像人体组织
2021年05月01日    阅读量:386     新闻来源:中国橡胶网 zimite.com    |  投稿

加州大学圣塔芭芭拉分校材料助理教授克里斯托弗·贝茨(Christopher Bates)和材料学教授兼该系系主任迈克尔·查比尼茨(Michael Chabinyc)的实验室研究人员已经合作开发了首款可3D打印的“瓶刷”弹性体。这种新材料可以使打印物体具有非同寻常的柔软性和弹性-机械性能非常类似于人体组织。


3D打印聚合物:这种材料会产生柔软,有弹性的物体,感觉像人体组织 中国橡胶网,zimite.com


常规的弹性体,即橡胶,比许多生物组织更坚硬中国化工网okmart.com。这是由于其组成聚合物的大小和形状所致,它们是长而直的分子,像煮熟的意大利面条一样容易缠结。相比之下,洗瓶刷聚合物在线性主链上附着了其他聚合物,从而导致其结构更类似于您在厨房中发现的洗瓶刷。牙刷聚合物结构赋予了形成极软的弹性体的能力。


通过3D打印牙刷弹性体的能力,可以在需要仔细控制从仿生组织到高灵敏度电子设备(例如触摸板,传感器和执行器)的对象的尺寸的应用中利用这些独特的机械性能。


两位博士后研究人员-谢仁轩和桑乔伊·穆克吉(Sanjoy Mukherjee)在开发新材料中发挥了关键作用。他们的发现发表在《科学进展》杂志上。


Xie和Mukherjee的主要发现涉及纳米级尺度上的牙刷聚合物的自组装,这会响应所施加的压力而导致固-液转变。该材料被归类为屈服应力流体,这意味着它从保持其形状的半软固体开始,如黄油或牙膏,但是当施加足够的压力时,它会液化并可以通过注射器挤压。该团队利用此属性在称为直接墨水书写(DIW)的3D打印过程中创建墨水。


研究人员可以调整材料使其在各种压力下流动,以匹配所需的加工条件。“例如,也许您希望聚合物在不同的应力水平下保持其形状,例如当存在振动时,”谢说。“我们的材料可以保持数小时的形状。这很重要,因为如果材料在打印过程中下垂,则打印的零件将具有较差的结构稳定性。”


物体打印后,将紫外线照射到其上以激活交联剂,该交联剂是Mukherjee合成并作为油墨配方的一部分包含在内的。交联剂可以连接附近的牙刷聚合物,从而形成超柔软的弹性体。到那时,材料变成了永久固体-在压力下将不再液化-并且表现出非凡的性能。


谢说:“我们从没有交联的长聚合物开始。” “这使它们像流体一样流动。但是,当您在它们上面照射光时,聚合物链之间的小分子会发生反应并连接成一个网络,因此您得到了一种固体,即一种弹性体,当拉伸时,它将回到原来的形状。”


材料的柔软度是根据其模量来衡量的,对于大多数弹性体而言,它的硬度很高,这意味着它们的刚度和弹性类似于橡皮筋。谢说:“我们材料的模量比橡皮筋小一千倍。” “它非常柔软-感觉很像人体组织-而且非常有弹性。它的拉伸能力约为其长度的三到四倍。”


意外墨水


穆克吉(Mukherjee)偶然发现了这种材料,同时尝试为其他项目开发一种材料,这种材料会增加执行器可以存储的电荷量。当弹性体来到谢先生身上进行表征时,他立即知道它是特殊的。他回忆说:“我立即看到它与众不同,因为它可以很好地保持其形状。”


贝茨说:“当我们看到这种定义明确的屈服应力时,大家共同意识到我们可以对其进行3D打印,这很酷,因为我们所知道的3D可打印材料都没有这种超级材料。软财产。”


洗瓶刷聚合物已经存在二十多年了。但是,贝茨说:“由于合成化学的进步,对这些独特分子的大小和形状进行了精确控制,因此该领域在过去十年中爆炸了。


他补充说:“这些超柔软的弹性体可能可以用作植入物。” “如果植入物的机械特性与天然组织相匹配,您也许能够减少机体的炎症和排斥反应。”


Chabinyc指出,新材料的另一个重要元素是纯聚合物。


他说:“它们中没有水或其他溶剂,可以人为使其变软。”


要了解在聚合物中不含水的重要性,想一想Jell-O是很有帮助的,它主要是水,可以保持其形状,但前提是水保持在内部。Chabinyc说:“如果水消失了,那么你将只有一堆无形的材料。” “使用常规聚合物,您必须弄清楚如何在其中保留适量的水以保持其结构,但是这种新材料都是固态的,因此它永远不会改变。”


此外,新材料可以在没有溶剂的情况下进行3D打印和处理,这也是不寻常的。谢说:“人们经常添加溶剂来液化固体,以便可以将其从喷嘴中挤出,但是如果添加溶剂,则打印后必须蒸发掉,从而导致物体改变形状或破裂。”


穆克吉(Mukherjee)补充说:“我们希望材料和印刷过程尽可能清洁和容易,因此我们发挥了化学溶解性和自组装性,从而实现了无溶剂工艺。事实上,我们没有使用溶剂是一个巨大的优势。”


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