南加州大學研究人員開發出3D列印自愈硅橡膠材料

導讀：南加州大學維特比工程學院的研究人員創造了3D列印的橡膠材料，無需人工干預即可自行修復。

自我修復材料並不新鮮。我們每天都以皮膚細胞再生或切口癒合的形式看到生物過程。自愈性人造材料——主要是聚合物或彈性體——也不是什麼新鮮事了。但3D列印自癒合聚合物的能力相當具有革命性。南加州大學（USC）維特比工程學院的研究人員就是這樣做的：創造了3D列印的橡膠材料，無需人為干預即可完全自我修復。

用於產生這些自修復物體的3D列印方法依賴於光聚合，這是一種利用光（可見光或紫外光）引發聚合反應以形成線性或交聯聚合物結構的技術。

研究團隊的工藝是使用依賴光聚合的3D列印方法完成的，光聚合是一種利用光（可見光或紫外光）引發聚合反應以形成線性或交聯聚合物結構的技術。該項目由王啟明助理教授與維特比學生Kunhao Yu，An Xin，Duixu Du和康涅狄格大學助理教授李瑩合作。

「光聚合是光敏聚合物液體在光線照射下固化的過程，」王博士介紹說，「我們在3D列印系統『投影立體光刻』中使用這一過程。」

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在硫醇和氧化劑之間獲得正確的比例

光聚合反應發生在與稱為硫醇的化學基團的反應中。當加入氧化劑時，硫醇轉化為二硫化物，二硫化物在破碎時能夠重新形成，從而產生可自行癒合的物質。研究小組的困難是找到硫醇和氧化劑之間的正確比例，以達到最有效的結果。

「當我們逐漸增加氧化劑時，自愈行為變得更強，但光聚合行為變得更弱，」王博士說，「這兩種行為之間存在競爭關係。最終我們找到了能夠實現高自愈和相對快速光聚合的比例。」

然後，將生成的材料——硅橡膠或彈性體，通過將其變成「墨水」進行3D列印。為實現這一目標，該團隊使用了一台名為「投影立體光刻系統」的3D印表機。內部開發的印表機有兩種版本：一種用於單一材料，另一種用於多種材料。在大約五秒鐘內，研究團隊能夠在大約20分鐘內列印出17.5平方毫米的完整物體。多材料立體光刻系統最初是由王博士在2016年開發的，用於研究工程結構中的負熱膨脹。

研究人員發現，一種柔韌的3D列印材料，可以在室溫下大約六到八個小時完全自愈。熱量的應用加速了該過程，在60攝氏度或大約140華氏度的溫度下將自愈時間減少到一到兩個小時。濕度對癒合過程沒有影響。該材料幾乎可以100％自我修復，甚至適用於輪胎等關鍵應用。它預計對製造鞋子、輪胎和軟機器人等製造具有吸引力，甚至可以在電子產品中找到應用程序的一些變化——添加碳脂——使其具有導電性，以及更多的癒合時間。

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光明的應用前景

為了展示3D列印可自修復彈性體的潛在應用，研究人員創造了一種自我修復的3D軟致動器，可以提升自身重量的10倍。它是一種類似珍珠層的硬-軟複合材料，可在斷裂後恢復90％以上的韌性，以及具有介電相和導電相的自愈力感測器。將4毫米厚的狗骨形樣品相加製造，然後用刀片切成兩片，再用一點額外的力接觸，並放在60攝氏度的熱板上。然後，將原始樣品和癒合樣品放入拉伸試驗機中檢查其性能。

這種新材料與基於光聚合的增材製造系統兼容，研究人員表示，光彈性體有望為製造自由形態結構和高效自癒合結構的結構開闢出前景。它還具有合理的成本效益，每克約1美元。

「以一隻典型的鞋子為例：用過的橡膠的重量可能在100克左右，鞋的價格可能是200美元，」王博士說，「橡膠成本可能為100美元，所以它是100美元/ 100克，或每克1美元。因此，我們的材料成本可能在現有鞋用橡膠的成本範圍內。」

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尋求更大的剛度和新的應用

為了進一步開展研究，該團隊正在努力開發不同的可自行修復材料，以增加新應用的剛度。

「下一步是開發3D列印可自硬的剛性聚合物，」王博士介紹說，「我們希望使用這些材料來3D列印士兵裝甲或飛機機翼。想像一下，當戰場上的那些結構中存在損壞和破裂時，他們可以自主地自我修復和重新結合，將是多麼了不起的事情。」

題為「自我修復彈性體的增材製造」的研究論文發表在NPG Asia Materials第11卷第7期（2019年）。該項目由空軍科學研究辦公室青年研究員計劃和國家科學基金會資助。

本文作者

Tracey Schelmetic，畢業於康涅狄格州費爾菲爾德的費爾菲爾德大學，開始在Appleton＆Lange擔任技術和科學作家兼編輯。後來，作為期刊Customer Interaction Solutions的編輯總監。如今，她是一名自由撰稿人。

來源：3D列印商情

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