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快速固化有机硅油墨为3D打印打开新大门

有机硅 · 公众号 · · 2024-12-05 09:44

正文

(来源： Phys.org 有机硅编译)

近日，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员开发了一种新方法，可以 3D 打印出比以往更大、更高、更薄、更多孔的坚固硅胶结构。这篇研究发表在《美国化学会志》 10月刊封面上。

该团队将用于直接书写的双组分“快速固化”有机硅基墨水在打印前混合，并在室温下快速凝固，从而延长打印时间，简化制造过程，并确保结构不会塌陷或下垂，即使是复杂的形状和配置也是如此。

轻松打印

有机硅是一种广泛使用的聚合物，以其柔韧性、弹性和生物相容性而闻名，使其成为保护材料、生物医学设备（尤其是植入物和假肢）、柔性电子产品、软机器人等的理想选择。3D 打印是一种增材制造，它通过制造传统制造无法制造的空心或多孔结构，使材料更加通用。

直接油墨书写（DIW）材料通过喷嘴并选择性地逐层沉积，最适合打印硅胶等高粘度材料。尽管如此，由于有机硅基“油墨”的自支撑能力低，因此该技术仅限于制造相对简单的平面设计，因此无法打印高大、悬垂或薄壁结构。

为了成功打印，机器的精度、喷嘴质量和油墨特性也需要完美无缺，并且结构需要保持足够稳定，足以在整个打印过程中和在烘箱中热固化时支撑自身重量。打印还需要在墨水开始凝固之前完成，因此难以挤出。该团队希望通过新颖的墨水配方和改进的印刷工艺来应对这些挑战。

有机硅油墨包含催化剂（可加速化学反应）和交联剂（一种以化学方式将分子连接在一起的物质），它们会缓慢地“凝胶”在一起。

与双组分环氧树脂一样，该团队的“快速固化”（FC）油墨将交联剂和催化剂分离，直到挤出前，它们在流经喷嘴时通过在线混合的工艺不断混合。然后，迅速凝胶化并立即凝固，无需打印时间限制，也无需额外的步骤来硬化或固化材料。

“由于墨水是分开存放的，因此您不必担心打印时间，因为它不会在注射器中凝固，”Güell Izard 说。 “它还更坚固，因为在打印时各层会凝固，因此您的结构不会开始下垂。 ”

打印不可能

FC 配方使研究人员能够控制从混合到打印再到固化的时间，从而提高自支撑能力并改善形状保持性。与单组分相比，FC 油墨具有相似的流动性。对比打印了两种类型的木桩（硅胶 DIW 中的常见形状）后，发现 FC 油墨可以更好地保持其形状，并且下垂度大约减少一半。

Güell Izard 和他的团队对他们的发现和打印的构型感到兴奋。这些构型以前是有机硅无法实现的，例如高而细的结构、尖锐且无支撑的悬垂以及基于壳的晶格，如陀螺仪和立方体，并且打印出的结构孔隙率高达 90% 。

“这些漂亮的立方体和悬垂部分从烤箱中取出时，与我打印它们时完全一样，非常坚固，而单组分墨水打印的结构则有塌陷，”她说。“这让我们觉得我们在做的所有这些神奇的化学反应都在发挥作用。

下一步是测试该技术的极限，并利用双组分的配比来微调油墨的特性。例如，该团队指出，凝胶时间取决于存在的催化剂量，因此催化剂量可能在确定结构的高度和悬垂特征方面发挥着重要作用。Güell Izard 和他的团队还希望将这一概念应用于其他材料，并解锁更广泛的新结构。

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