3D打印坚固超弹性TPU泡沫可承受自身2万倍负荷

【PConline 资讯】2018年4月17日，从外媒获悉，克利夫兰开普西储大学的一个研究小组最近研究了一组有趣的 3D打印 新材料，这些材料可能有很多有用的应用。 该项目是由Rigoberto Advincula教授与高分子科学与工程系的Qiqi Chen和Peng-Fei Cao共同完成的。 他们的工作在一篇名为“‘Mechanically Robust， Ultraelastic Hierarchical Foam with Tunable Properties via 3D Printing”的论文中详细介绍，发表在Advanced Functional Materials杂志上。该团队使用粘性溶液印刷（VSP） 3D打印技术 （也称为墨水直写（DIW））制造超弹性泡沫。

使用数字3D模型的直接打印功能可以高精度地生成复杂的结构，使工程师能够在微观和宏观尺度上对孔隙度进行大量控制。该研究使用聚氨酯，一种常见的塑料材料进行。3D打印可以使材料的结构在不同的层面上得到控制，从而使其具有多孔性，从而显著改善所需性能。与模制或铸造方法相比，3D打印在泡沫的最终结构方面提供了更高水平的复杂性。

VSP 3D打印技术利用注射器，将粘性油墨材料挤出到构建板上，设置就位，以便逐层创建3D结构。这种3D打印技术比常规的FDM挤出方法具有优势，因为它可以用更多种类的材料进行打印。这些包括金属，水凝胶和气凝胶，以及陶瓷和热塑性塑料。

在3D打印技术中使用的油墨是触变性材料，这意味着它不流畅并且在外部应力下可变形。这些油墨通过简单的一锅法制备，其中将二重纳米颗粒（纳米粘土和二氧化硅纳米颗粒）分散在聚氨酯悬浮液中。

精确控制油墨的粘度，以及注射器的设计，打印参数和3D设计本身，都可以对最终3D打印结构进行高度控制。热塑性聚氨酯（TPU）是用分级多孔结构制造的。在宏观尺度上，通过将它们放置在最初的3D设计中，在结构中制造更大尺寸的孔。在下一级时，当物体浸入水中时，通过印后相分离过程产生大的微孔。通过化学蚀刻产生最小的微孔。

得到的TPU泡沫结构重量轻，并且表现出良好的机械强度。他们还拥有前所未有的弹性，超过1000次的压缩循环，以及卓越的坚固性，在超过其自身重量20，000倍的负载之后迅速完全恢复。

超弹性泡沫的机械性能可以根据它们用于的应用进行调整。他们的导电性能也是如此，作为演示，将由泡沫制成的小海绵浸入碳纳米管（CNT）在水中的溶液中。由于van de Waal的强大力量，碳纳米管紧紧抓住TPU泡沫的表面。 干燥后，将泡沫贴在电路板上并用作高灵敏的电阻式电阻率传感器。这实际上是一个弹性电源开关，可以将其压缩以打开或关闭电路。

除了柔性电子设备外，这种可打印的3D可打印TPU泡沫还可用于改进聚氨酯的许多其他现有应用，包括鞋类（如New Balance的3D印刷教练机）汽车座椅，包装和组织工程脚手架。 油墨混合物也可以改变，以获得与聚氨酯以外的塑料类似的效果。