蘭州化物所實現(xiàn)超高強韌水凝膠3D打印

來源：蘭州化學物理研究所

高性能結(jié)構(gòu)化水凝膠3D打印因具有良好的理化性能和可個性化設(shè)計制造結(jié)構(gòu)等特征，在組織工程、軟體驅(qū)動、柔性傳感、工程承載等許多領(lǐng)域具有巨大的潛在應用價值。目前，無論是化學交聯(lián)還是物理交聯(lián)3D打印水凝膠，因所制備的3D打印結(jié)構(gòu)體在力學性能方面表現(xiàn)不佳致使其應用嚴重受限。因此，高強韌水凝膠3D打印對滿足實際應用需求具有重要意義，是增材制造領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)的前沿研究。

中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王曉龍帶領(lǐng)的團隊，通過構(gòu)筑雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)策略實現(xiàn)了超高強韌水凝膠3D打印。如圖1所示，該3D打印超高強韌水凝膠由兩步法實現(xiàn)：
（1）基于聚乙烯醇（PVA）和可溶性短鏈殼聚糖（CS）水凝膠前驅(qū)體墨水的直書寫（Direct Ink Writing）3D打印成形。
（2）依次進行冷凍-解凍循環(huán)和檸檬酸鈉溶液浸泡配位交聯(lián)后處理，形成PVA物理結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)和CS離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)超高強韌水凝膠。

△圖1. 雙物理交聯(lián)策略構(gòu)筑3D打印超高強韌水凝膠示意圖

研究首要任務是復雜三維水凝膠結(jié)構(gòu)打印成形，主要通過調(diào)控由PVA和CS組成的水凝膠墨水體系流變學性能，如剪切變稀行為以及優(yōu)異的粘彈性能和觸變性能等實現(xiàn)。隨后依次進行冷凍-解凍循環(huán)和檸檬酸鈉溶液浸泡配位交聯(lián)分別構(gòu)建PVA物理結(jié)晶網(wǎng)絡(luò)和殼聚糖離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，賦予3D打印水凝膠超高強韌性能。研究表明，采用優(yōu)化條件得到的3D打印雙物理網(wǎng)絡(luò)水凝膠在拉伸應變?yōu)?02.27±15.70%下，拉伸強度達到12.71±1.32 MPa，楊氏模量為14.01±1.35 MPa，斷裂伸長功為22.10±2.36 MJ m-3。與已報道的所有3D打印化學和物理交聯(lián)水凝膠相比，該研究報道的雙物理網(wǎng)絡(luò)水凝膠相關(guān)性能處于優(yōu)勢地位（圖2）。撕裂實驗顯示其斷裂能為9.92±1.05 kJ m-2，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。

△圖2. 3D 打印雙物理交聯(lián)水凝膠力學性能與展示

采用DIW方法，該高強韌水凝膠實現(xiàn)包括木堆晶格、蜂巢以及螺旋等三維復雜結(jié)構(gòu)的成形制造（圖3a），通過局部雙重物理網(wǎng)絡(luò)強化策略，還實現(xiàn)了鯨魚、章魚以及蝴蝶等形狀的再次塑形（圖3b），表明其在4D打印領(lǐng)域具有較大應用潛能。高強韌水凝膠3D打印將高性能水凝膠材料與先進制造技術(shù)有機結(jié)合，為智能機械、軟體機器人等新興領(lǐng)域提供新的設(shè)計思路和解決方案。

△圖3. （a）3D 打印水凝膠精細結(jié)構(gòu)；（b）3D打印水凝膠二次塑形

相關(guān)研究成果發(fā)表在Chemistry of Materials上。蘭州化物所博士生蔣盼為論文第一作者，王曉龍為論文通訊作者，該研究由蘭州化物所作為第一單位與安徽工業(yè)大學和三峽大學合作完成。研究工作得到國家自然科學基金和中科院前沿科學重點研究計劃項目的支持。