近期,中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王曉龍研究員團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)筑雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)策略實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)韌水凝膠3D打印。如圖1所示,該3D打印超高強(qiáng)韌水凝膠由兩步法實(shí)現(xiàn),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(qū)體墨水的直書寫(Direct Ink Writing)3D打印成形,然后是依次進(jìn)行冷凍-解凍循環(huán)和檸檬酸鈉溶液浸泡配位交聯(lián)后處理,形成PVA物理結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)和CS離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)超高強(qiáng)韌水凝膠。
圖1. 雙物理交聯(lián)策略構(gòu)筑3D打印超高強(qiáng)韌水凝膠示意圖
該研究首要任務(wù)是復(fù)雜三維水凝膠結(jié)構(gòu)打印成形,主要通過調(diào)控由PVA和CS組成的水凝膠墨水體系流變學(xué)性能,如剪切變稀行為以及優(yōu)異的粘彈性能和觸變性能等實(shí)現(xiàn)。隨后依次進(jìn)行冷凍-解凍循環(huán)和檸檬酸鈉溶液浸泡配位交聯(lián)分別構(gòu)建PVA物理結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)和殼聚糖離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),賦予了3D打印水凝膠超高強(qiáng)韌性能。研究表明:采用優(yōu)化條件得到的3D打印雙物理網(wǎng)絡(luò)水凝膠在拉伸應(yīng)變?yōu)?02.27 ± 15.70%下,拉伸強(qiáng)度達(dá)到12.71 ± 1.32 MPa,楊氏模量為14.01 ± 1.35 MPa,斷裂伸長(zhǎng)功為22.10 ± 2.36 MJ m-3。與已報(bào)道的所有3D打印化學(xué)和物理交聯(lián)水凝膠相比,該研究報(bào)道的雙物理網(wǎng)絡(luò)水凝膠相關(guān)性能處于優(yōu)勢(shì)地位(圖2)。撕裂實(shí)驗(yàn)顯示其斷裂能為9.92 ± 1.05 kJ m-2,表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。
圖2. 3D 打印雙物理交聯(lián)水凝膠力學(xué)性能與展示
采用DIW方法,該高強(qiáng)韌水凝膠實(shí)現(xiàn)了包括木堆晶格、蜂巢以及螺旋等三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形制造(圖3a)。同時(shí),通過局部雙重物理網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化策略,該策略還實(shí)現(xiàn)了鯨魚、章魚以及蝴蝶等形狀的再次塑形(圖3b),表明其在4D打印領(lǐng)域的較大應(yīng)用潛能。此項(xiàng)研究的高強(qiáng)韌水凝膠3D打印將高性能水凝膠材料與先進(jìn)制造技術(shù)有機(jī)結(jié)合,將為智能機(jī)械、軟體機(jī)器人等新興領(lǐng)域提供新的設(shè)計(jì)思路和解決方案。
圖3. (a)3D 打印水凝膠精細(xì)結(jié)構(gòu);(b)3D打印水凝膠二次塑形
以上成果近期發(fā)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,通訊作者為王曉龍研究員,由蘭州化物所作為第一單位與安徽工業(yè)大學(xué)和三峽大學(xué)合作完成。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目的支持。
參考資料
[1]中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所,蘭州化物所實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)韌水凝膠3D打印
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