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浙江大学，最新Nature！

2024-07-11 14:35:00 0 2018

研究背景

柔性和弹性的结合，使弹性体在汽车、建筑和消费品等多个行业中占据重要地位。此外，它们在微流体、软机器人、可穿戴电子和医疗设备等新兴领域也获得了越来越大的吸引力。无论任何应用，具有足够的机械强度都是先决条件。因此，解决柔软和力量之间看似矛盾的特性，一直是科研界不懈追求的目标。天然蜘蛛丝以其卓越的强度，为设计合成软材料提供了灵感源泉。尽管其独特的超结构（β片）难以直接复制，但深入探索分级结构的构建原理，为设计机械强度高的弹性体提供了有用的提示。

然而，上述设计原理不能直接用于数字光处理（DLP）3D打印。DLP打印依赖于快速的光固化来实现必要的快速凝胶化，这通常要求使用含有大量多官能丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯的光致树脂。这些树脂的化学特性严重限制了分子设计的自由度，进而妨碍了优异机械强度的实现。此外，快速固化导致不均匀的网络形成和残余应力，这也对机械性能产生负面影响。

研究成果

近日，浙江大学谢涛教授和吴晶军副研究员合作报道了一种3D光打印树脂化学组成，制备出的弹性体具有94.6MPa的拉伸强度、和310.4MJ·m^-3的韧性，这两项指标均远超于任何3D打印弹性体。从机制上讲，这是通过印刷聚合物中的动态共价键实现的，该键允许网络拓扑重构。这有助于分级氢键（特别是酰胺氢键）的形成，微相分离以及互穿结构的构建。这些微观结构特征协同作用，共同赋予了材料优异的机械性能。这项研究为使用3D打印的大规模制造提供了更光明的未来。相关研究工作以“3D printable elastomers with exceptional strength and toughness”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

研究内容

研究者取得这一成就的关键在于二甲基丙烯酸酯DLP前体的化学设计，其主链中含有动态位阻脲和两个侧链羧酸基团，该前体分三步合成（图1a）。首先，低聚聚（四氢呋喃）二醇（分子量1000）与甲苯-2，4-二氰基反应，以引入异氰酸酯端基。随后，在50°C条件下，异氰酸酯端基与二羟甲基丁酸反应，得到具有两个侧链羧酸基团的异氰酸酯封端的预聚物。最后，预聚物与甲基丙烯酸2-（叔丁基氨基）乙酯反应，制备DLP前体。通过凝胶渗透色谱法和¹H NMR端基分析测量的DLP前体的数均分子量分别为4277g·mol^-1和4740g·mol^-1，与理论数均分子量（4710g·mol^-1）一致，充分证明了合成路径的高效与精确。

图1. 3D可打印弹性体的化学设计

图2. 弹性体的力学性能以及潜在的强化和增韧机制

图3. 弹性和机械性能

图4. DLP打印的强韧性弹性体

结论与展望

这项研究中的3D打印技术成功打印出超强和超坚韧材料，扩展了其在极端恶劣条件下的使用范围，远超以往示例。此外，这些印刷前体采用易获得试剂，通过简单步骤合成，从而确保了其低成本。尽管设计机械性能优异的聚合物已确立了一系列原则，但在3D打印领域直接应用这些原则颇具挑战性，这主要归因于3D打印的严苛要求，包括在光照下快速凝胶化、打印和储存期间足够的适用期等，尽管如此，这些策略仍为探索高性能3D打印材料的未来之路提供了宝贵启示。总的来说，这项研究表明了3D打印技术能够摆脱机械性能受限的束缚，为其未来的商业实施清除了一个主要障碍。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07588-6

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