剛性還是彈性？通過3D打印改變特性的塑料材料

魔猴君  科技前沿   158天前

近年來，許多大學研究項目都集中在利用增材制造開發多功能材料。例如，在醫學領域，開發能夠再生器官或骨骼結構的組織以及設計尖端的生物醫學設備非常重要。與此同時，在其他領域，工作重點是創建新的3D打印架構，提供廣泛的潛在應用。

為了證明這一點，愛麗絲·弗格森（Alice Fergerson）和艾米麗·戴維森（Emily Davidson）領導的普林斯頓大學工程師團隊開發了一種能夠適應不同靈活性水平的塑料材料。這種材料由一類稱為TPE的聚合物組成，可以設計和制造剛性可調節的柔性3D打印結構。通過3D打印，工程師能夠控制這種材料的物理特性，使織物能夠在一個方向上反復拉伸和彎曲，同時保持另一個方向的剛度。

塑料材質的特性

普林斯頓大學工程團隊選擇的熱塑性彈性體是一種嵌段共聚物，可以在熔融時成型。當它冷卻時，它會凝固形成彈性結構。這種現象可以通過由均聚物組成的共聚物內部組分的行為來解釋，它們像油和水一樣分離而不是混合。研究人員利用這一特性創造了一種由分散在彈性基質中的剛性圓柱體組成的材料，這種材料可以在保持其內部特性的同時保持柔韌性。

這種塑料材料的剛性圓柱形結構厚度為5至7納米，嵌入彈性聚合物基質中。為了更好地理解這個尺度，這里有兩個比較：人類頭發的直徑約為90,000納米，而DNA螺旋的直徑約為1納米。研究人員還研究了如何使用打印速度和受控材料擠出來調節打印材料的物理性能。使用3D打印，圓柱體可以在納米水平上定向，從而創建一種提供局部剛度同時保持柔軟和彈性區域的材料。

其自我修復特性

該工藝最有趣的方面在于塑料的熱退火及其自愈特性。Alice Fergerson解釋說，熱退火顯著提高了打印后的材料性能。這個過程允許在實驗室打印的物體可以重復使用多次，甚至在損壞時可以自我修復。為了證明這些自愈特性，研究人員切割了印刷材料的柔性樣本，并通過退火對其進行修復。根據他們的觀察，修復后的材料與原始材料沒有明顯差異。

戴維森指出，在其他情況下使用的類似材料非常昂貴，并且需要復雜的加工，例如受控擠壓，然后進行紫外線處理。這些材料的成本可達每克2.50美元左右。相比之下，該項目中使用的熱塑性彈性體每克成本僅為一便士左右，并且可以使用商業3D打印機進行打印。這使得這種材料不僅經濟，而且可用于低成本打印解決方案。

該項目的主要目標之一是開發具有局部可調機械性能的柔性材料，同時采用經濟高效且易于擴展的工業方法。Emily Davidson認為，這種設計先進軟材料的方法可以在各個領域得到應用，例如軟機器人、醫療設備、假肢以及高性能定制鞋底。研究團隊的下一步將是創建新的3D打印架構，與可穿戴電子產品和生物醫學設備等應用兼容。

編譯整理：3dnatives