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固體潤滑國家重點實現超高強韌水凝膠3D打印
日期:2020-12-17 | | 【

  高性能結構化水凝膠3D打印因其良好的理化性能和可個性化設計制造結構等特征,在許多領域如組織工程、軟體驅動、柔性傳感、工程承載等具有巨大的潛在應用價值。但是,目前,無論是化學交聯還是物理交聯3D打印水凝膠,因所制備的3D打印結構體在力學性能方面表現不佳致命其應用嚴重受限。因此, 高強韌水凝膠3D打印對滿足實際應用需求具有重要意義,但仍是增材制造領域具有挑戰的前沿研究。 

  近期,中科院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室王晓龙研究员团队通过构筑双物理交联网络策略实现了超高強韌水凝膠3D打印。如圖1所示,該3D打印超高強韌水凝膠由两步法实现,首先是基于聚乙烯醇(PVA)和可溶性短鏈殼聚糖 (CS)水凝膠前驅體墨水的直書寫(Direct Ink Writing3D打印成形,然後是依次進行冷凍-解凍循環和檸檬酸鈉溶液浸泡配位交聯後處理形成PVA物理結晶網絡和CS离子交联网络的双物理交联网络超高強韌水凝膠。 

   

  1. 雙物理交聯策略構築3D打印超高強韌水凝膠示意圖 

  該研究首要的任務是複雜三維水凝膠結構打印成形,主要通過調控由PVACS組成的水凝膠墨水體系流變學性能如剪切變稀行爲以及優異的粘彈性能和觸變性能等實現。隨依次進行的冷凍-解凍循環和檸檬酸鈉溶液浸泡配位交聯分別構建PVA物理結晶網絡和壳聚糖离子交联网络,赋予了3D打印水凝膠超高強韌性能。研究表明:采用優化條件得到的3D打印雙物理網絡水凝膠在拉伸應變爲302.27 ± 15.70%下,拉伸強度達到12.71 ± 1.32 MPa,楊氏模量爲14.01 ± 1.35 MPa,斷裂伸長功爲22.10 ± 2.36 MJ m-3。與已報道的所有3D打印化学和物理交联水凝胶相比,本研究报道的双物理网络水凝胶相关性能处于优势地位(圖2)。撕裂實驗顯示其斷裂能爲9.92 ± 1.05 kJ m-2,表現出優異的韌性。 

   

  2. 3D 打印雙物理交聯水凝膠力學性能與展示 

  采用DIW方法,该高強韌水凝膠实现了包括木堆晶格、蜂巢以及螺旋等三维复杂结构的成形制造(圖3a)。同时,通过局部双重物理网络强化策略,该策略还实现了鲸鱼、章鱼以及蝴蝶等形状的再次塑形(圖3b),說明其在4D打印领域的较大应用潜能。此项研究的高強韌水凝膠3D打印將高性能水凝膠材料與先進制造技術有機結合,將爲智能機械、軟體機器人等新興領域提供新的設計思路和解決方案。 

   

  3. a3D 打印水凝膠精細結構;(b3D打印水凝膠二次塑形 

  以上成果近期發表于Chemistry of Materials, 2020, 32, 9983-9995)。論文第一作者是蘭州化物所博士生蔣盼,通訊作者爲王曉龍研究員,由蘭州化物所作爲第一單位與安徽工業大學和三峽大學合作完成。該研究工作得到了國家自然科學基金和中國科學院前沿科學重點研究項目的支持。 

    論文鏈接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c02941.

來源:固體潤滑國家重點實驗室  |  發布時間:2020-12-18  |