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近期，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王曉龍研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)構(gòu)筑雙物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)策略實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)韌水凝膠3D打印。如圖1所示，該3D打印超高強(qiáng)韌水凝膠由兩步法實(shí)現(xiàn)，首先是基于聚乙烯醇（PVA）和可溶性短鏈殼聚糖 (CS)水凝膠前驅(qū)體墨水的直書(shū)寫(xiě)（Direct Ink Writing）3D打印成形，然后是依次進(jìn)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(qiáng)韌水凝膠。

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

該研究首要任務(wù)是復(fù)雜三維水凝膠結(jié)構(gòu)打印成形，主要通過(guò)調(diào)控由PVA和CS組成的水凝膠墨水體系流變學(xué)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(shí)現(xiàn)。隨后依次進(jìn)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)，賦予了3D打印水凝膠超高強(qiáng)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(yīng)變?yōu)?02.27 ± 15.70%下，拉伸強(qiáng)度達(dá)到12.71 ± 1.32 MPa，楊氏模量為14.01 ± 1.35 MPa，斷裂伸長(zhǎng)功為22.10 ± 2.36 MJ m-3。與已報(bào)道的所有3D打印化學(xué)和物理交聯(lián)水凝膠相比，該研究報(bào)道的雙物理網(wǎng)絡(luò)水凝膠相關(guān)性能處于優(yōu)勢(shì)地位（圖2）。撕裂實(shí)驗(yàn)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(xué)性能與展示

采用DIW方法，該高強(qiáng)韌水凝膠實(shí)現(xiàn)了包括木堆晶格、蜂巢以及螺旋等三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成形制造（圖3a）。同時(shí)，通過(guò)局部雙重物理網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化策略，該策略還實(shí)現(xiàn)了鯨魚(yú)、章魚(yú)以及蝴蝶等形狀的再次塑形（圖3b），表明其在4D打印領(lǐng)域的較大應(yīng)用潛能。此項(xiàng)研究的高強(qiáng)韌水凝膠3D打印將高性能水凝膠材料與先進(jìn)制造技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將為智能機(jī)械、軟體機(jī)器人等新興領(lǐng)域提供新的設(shè)計(jì)思路和解決方案。

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

以上成果近期發(fā)表于Chemistry of Materials, 2020, 32, 9983-9995。論文第一作者是蘭州化物所博士生蔣盼，通訊作者為王曉龍研究員，由蘭州化物所作為第一單位與安徽工業(yè)大學(xué)和三峽大學(xué)合作完成。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目的支持。

參考資料

[1]中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，蘭州化物所實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)韌水凝膠3D打印