3D打印柔性材料的強度和韌性結合

2020-04-23 22:28
1

親水性復雜結構廣泛存在于自然界中,例如細胞膜,哺乳動物皮膚,植物表面等。這些異質材料的結合使細胞能夠傳輸生物電信號并發展復雜的生命系統。


近年來,基于水凝膠/彈性體的疏水結構取得了顯著進展,在可伸縮電子,軟機器人,摩擦發生器等領域具有廣闊的應用前景。但是,它的結構仍然比較簡單,無法匹配自然結構。 3D打印作為一種快速成型技術,可以用于制備復雜的軟結構。但是,現有的親水和疏水結構在印刷過程中的界面粘合性能較差。


為了解決這個問題,西安交通大學航空航天學院軟機實驗室的老師唐敬達與美國科學院院士,美國工程院院士,索志剛教授合作。哈佛大學為軟結構的3D打印提出了強有力的結合技術,該技術實現了疏水性水凝膠/彈性體異質結構的打印。相關研究成果最近發表在《高級功能材料》上。


軟材料在生物醫學,電子皮膚,柔性機器人和其他現代科學技術領域中都有潛在的應用,因此軟材料受到廣泛關注。


水凝膠作為一種柔軟的材料,由水分子和聚合物網絡組成,是一種分散在水中的凝膠。它具有高含水量,化學和生物分子滲透性,生物相容性和生物降解性的優點。親水性材料不會刺激人體組織,因此在日常生活中被廣泛使用,例如冷凍(明膠),嬰兒尿液,隱形眼鏡等。


第一代水凝膠是柔軟而脆的材料,因此其機械性能并未得到廣泛關注。


在過去的二十年中,為改善水凝膠的機械性能進行了大量工作,并且形成了熱點。高強度,高韌性的水凝膠,如納米復合水凝膠,雙網狀水凝膠和韌性水凝膠已陸續開發。這些高強度水凝膠可承受較大的變形。例如,《自然》雜志上的Lock Zhigang于2012年報道了一種堅韌的水凝膠聚丙烯酰胺-海藻酸鈉水凝膠。


彈性體通常是指在去除外力之后可以恢復到其原始狀態的材料。目前,彈性體被更擴展為彈性聚合物的總稱。彈性體具有優異的機械性能,并在各種環境下均表現出穩定的性能。作為疏水材料,彈性體通常與各種材料配合形成疏水和疏水復合結構。


水凝膠和彈性體具有互補的優勢。因此,設計兼具水凝膠和彈性體優勢的復合材料將大大拓寬其應用領域。


左:用于軟材料3D打印的超級粘合策略;右:印刷網格和蜂窩結構(唐京達圖片)


近年來,一系列的水凝膠/彈性體復合材料通過界面結合而結合在一起,但是存在一些不足,例如界面結合力弱和質地不均勻。通過簡單的制備方法獲得均質的水凝膠/彈性體復合材料仍然是一個挑戰。


共價鍵+韌性材料,用于強韌粘合。


唐京達說,要實現水凝膠與彈性體材料之間的超強結合,必須滿足兩個條件:一是兩種材料之間的共價鍵結合;二是材料之間的共價結合。另一個是水凝膠材料足夠堅固。 “只有通過這種方式,水凝膠/彈性體復合結構才能獲得更高的結合能并實現牢固的結合?!碧凭┻_說。


湖南大學機械與交通工程學院副教授毛一奇告訴《中國科學雜志》,他曾試圖通過物理方法將水凝膠與彈性體結合。 “水凝膠被包裹在彈性體中,并通過水驅動結合。但是這種方法形成的鍵很容易脫落,效果也不好。


據報道,麻省理工學院的教授趙選和率先通過表面處理實現了水凝膠/彈性體的共價鍵合,但該表面處理方法并不適合3D打印技術。


唐景達等。分別制備了水凝膠和彈性體預聚物。通過本體處理將引發劑溶解在彈性體材料中。然后調整彈性體預聚物的粘度和


昵稱:
內容:
驗證碼:
提交評論
評論一下