吳晶軍《Additive Manufacturing》: 物理交聯(lián)水凝膠的高效光固化3D打印
時(shí)間：2021-12-23 14:16 來(lái)源：高分子科學(xué)前沿 作者：admin 閱讀：次
水凝膠在軟體機(jī)器人、組織工程支架、柔性傳感器等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。受限于常規(guī)的模具澆筑制備工藝，水凝膠的結(jié)構(gòu)通常比較單一，影響了其更豐富、更復(fù)雜功能的實(shí)現(xiàn)。光固化3D打印是一種有效的構(gòu)建高精度、高復(fù)雜度三維結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。目前，由于缺少高效的水溶性光引發(fā)劑以及水凝膠本身強(qiáng)度低的原因，水凝膠直接光固化3D打印仍存在打印效率低、難以打印低模量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的技術(shù)難點(diǎn)。另一方面，純物理交聯(lián)水凝膠具有一些特殊的功能，如刺激響應(yīng)性、自修復(fù)/自焊接等。但是，這類物理水凝膠通常較難兼容光固化3D打印的工藝要求。
為了解決上述問(wèn)題，浙江大學(xué)寧波研究院吳晶軍助理研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種新型高效的水凝膠光固化3D打印工藝，即3D打印丙烯酰嗎啉/丙烯酸干凝膠，通過(guò)后處理（吸水溶脹-金屬配位）得到具有良好機(jī)械性能的金屬離子復(fù)合水凝膠。該工藝的優(yōu)勢(shì)在于將打印工藝要求與凝膠力學(xué)性能解耦，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的水凝膠的高效3D打印。其中，超低模量的水凝膠晶格結(jié)構(gòu)以及可自焊接的純物理交聯(lián)水凝膠的光固化3D打印均為本領(lǐng)域首次，有望極大地拓展水凝膠的應(yīng)用范圍。
作者研究了配位羧基與交聯(lián)劑含量對(duì)水凝膠力學(xué)性能的影響，并利用不同金屬離子與羧基的配位強(qiáng)弱達(dá)到機(jī)械性能大范圍可調(diào)的目的。
基于弱金屬離子-羧基配位作用的原理，并結(jié)合晶格的宏觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制晶格模型的網(wǎng)絡(luò)密度以及粗細(xì)實(shí)現(xiàn)了超低模量水凝膠的3D打印（空氣中無(wú)法自支撐），目前傳統(tǒng)直接打印水凝膠方法難以實(shí)現(xiàn)。
該技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)是，當(dāng)不含有任何化學(xué)交聯(lián)劑（如HDDA）時(shí)，可以打印得到一個(gè)純線性的物理干凝膠。進(jìn)過(guò)過(guò)處理之后可以得到一個(gè)完全由金屬離子配位作用作為交聯(lián)點(diǎn)的物理水凝膠。利用EDTA對(duì)金屬離子的螯合作用，該物理水凝膠的物理交聯(lián)點(diǎn)可以被破壞，實(shí)現(xiàn)水凝膠的降解。同時(shí)，該物理水凝膠具有優(yōu)異的自焊接性能，自焊接效率達(dá)90%以上。
這一成果近期發(fā)表在增材制造期刊《Additive Manufacturing》上，文章第一作者是碩士生孫卓，共同第一作者是直博生盧亞輝，通訊作者是吳晶軍助理研究員。
全文鏈接：
Zhuo Sun, Yahui Lu, Qian Zhao, Jingjun Wu.* Addit. Manuf., 2022, 50, 102563. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102563
課題組簡(jiǎn)介：
浙江大學(xué)寧波研究院化工分院智能制造團(tuán)隊(duì)吳晶軍助理研究員和謝濤教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事光固化3D打印工藝和材料研究。針對(duì)光固化3D打印技術(shù)在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的若干關(guān)鍵問(wèn)題，相繼在基于水凝膠離型界面的超快速光刮胡3D打印（Nat. Commun., 2021, 12, 6070）、熱塑性高分子光固化3D打印原理及其超高速成型工藝（Adv. Mater. 2019, 31, 1903970）、變形材料超快速4D打印（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 32408）、可編程光固化3D打印材料（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 15584）、高性能光固化3D打印彈性體（產(chǎn)品開(kāi)發(fā)落地）等方面取得創(chuàng)新。成果有望解決現(xiàn)有光固化3D打印效率低、成品功能性差等局限，推動(dòng)光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用。
為了解決上述問(wèn)題，浙江大學(xué)寧波研究院吳晶軍助理研究員團(tuán)隊(duì)提出了一種新型高效的水凝膠光固化3D打印工藝，即3D打印丙烯酰嗎啉/丙烯酸干凝膠，通過(guò)后處理（吸水溶脹-金屬配位）得到具有良好機(jī)械性能的金屬離子復(fù)合水凝膠。該工藝的優(yōu)勢(shì)在于將打印工藝要求與凝膠力學(xué)性能解耦，能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能的水凝膠的高效3D打印。其中，超低模量的水凝膠晶格結(jié)構(gòu)以及可自焊接的純物理交聯(lián)水凝膠的光固化3D打印均為本領(lǐng)域首次，有望極大地拓展水凝膠的應(yīng)用范圍。
圖1 DLP 3D打印水凝膠過(guò)程：a）3D打印；b）溶脹、絡(luò)合交聯(lián)
作者研究了配位羧基與交聯(lián)劑含量對(duì)水凝膠力學(xué)性能的影響，并利用不同金屬離子與羧基的配位強(qiáng)弱達(dá)到機(jī)械性能大范圍可調(diào)的目的。
圖2 水凝膠力學(xué)性能大范圍可調(diào)節(jié)的研究
基于弱金屬離子-羧基配位作用的原理，并結(jié)合晶格的宏觀結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制晶格模型的網(wǎng)絡(luò)密度以及粗細(xì)實(shí)現(xiàn)了超低模量水凝膠的3D打印（空氣中無(wú)法自支撐），目前傳統(tǒng)直接打印水凝膠方法難以實(shí)現(xiàn)。
圖3 結(jié)合宏觀結(jié)構(gòu)超低模量水凝膠的制作
該技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)是，當(dāng)不含有任何化學(xué)交聯(lián)劑（如HDDA）時(shí)，可以打印得到一個(gè)純線性的物理干凝膠。進(jìn)過(guò)過(guò)處理之后可以得到一個(gè)完全由金屬離子配位作用作為交聯(lián)點(diǎn)的物理水凝膠。利用EDTA對(duì)金屬離子的螯合作用，該物理水凝膠的物理交聯(lián)點(diǎn)可以被破壞，實(shí)現(xiàn)水凝膠的降解。同時(shí)，該物理水凝膠具有優(yōu)異的自焊接性能，自焊接效率達(dá)90%以上。
圖4 純物理凝膠水凝膠自焊接性能的研究
這一成果近期發(fā)表在增材制造期刊《Additive Manufacturing》上，文章第一作者是碩士生孫卓，共同第一作者是直博生盧亞輝，通訊作者是吳晶軍助理研究員。
全文鏈接：
Zhuo Sun, Yahui Lu, Qian Zhao, Jingjun Wu.* Addit. Manuf., 2022, 50, 102563. DOI: https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102563
課題組簡(jiǎn)介：
浙江大學(xué)寧波研究院化工分院智能制造團(tuán)隊(duì)吳晶軍助理研究員和謝濤教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事光固化3D打印工藝和材料研究。針對(duì)光固化3D打印技術(shù)在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中的若干關(guān)鍵問(wèn)題，相繼在基于水凝膠離型界面的超快速光刮胡3D打印（Nat. Commun., 2021, 12, 6070）、熱塑性高分子光固化3D打印原理及其超高速成型工藝（Adv. Mater. 2019, 31, 1903970）、變形材料超快速4D打印（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 32408）、可編程光固化3D打印材料（ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 15584）、高性能光固化3D打印彈性體（產(chǎn)品開(kāi)發(fā)落地）等方面取得創(chuàng)新。成果有望解決現(xiàn)有光固化3D打印效率低、成品功能性差等局限，推動(dòng)光固化3D打印技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用。
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