多材料3D打印結(jié)構(gòu)粘接問題解決

供稿人:張曼玉 田小永

親疏水復合結(jié)構(gòu)在自然界中廣泛存在，如植物表層、細胞膜、神經(jīng)軸突等。例如細胞質(zhì)和細胞外基質(zhì)是親水性和導電性，而髓鞘是疏水性和絕緣的，親水性和疏水性物質(zhì)的結(jié)合能夠使有髓軸突作為電信號的傳輸線。近年來，這種生物結(jié)構(gòu)激發(fā)了合成親水/疏水結(jié)構(gòu)的發(fā)展，其中基于水凝膠/彈性體的人造親疏水軟結(jié)構(gòu)取得了明顯進展，然而其構(gòu)造仍較為簡單，無法媲美天然結(jié)構(gòu)。作為快速成型技術(shù)，3D打印可用于復雜軟結(jié)構(gòu)的制備，不過面臨著一大挑戰(zhàn)：多材料打印結(jié)構(gòu)的界面粘接性能極差。這是由于水凝膠中含有大量的水，水分子使得水凝膠傳遞很小的力，所以水凝膠與任何材料的粘接力都很小甚至跟相同的水凝膠。

近日，西安交通大學機械結(jié)構(gòu)強度與振動國家重點實驗室、航天航空學院軟機器實驗室研究人員與美國工程院院士、哈佛大學鎖志剛教授合作提出一種軟結(jié)構(gòu)3D打印的強韌粘接技術(shù)，實現(xiàn)了具有超強界面粘接的水凝膠/彈性體親疏水異質(zhì)結(jié)構(gòu)的打印。

圖1一種打印水凝膠和彈性體結(jié)構(gòu)的粘接方法a)在打印過程中，兩種墨水按任意順序擠出在重力和毛細作用下保持形狀b)在固化過程中，每個網(wǎng)絡內(nèi)部形成共價鍵交聯(lián)，兩個網(wǎng)絡之間形成共價鍵交聯(lián)。

圖2打印結(jié)構(gòu)的機械性能a)具有共價鍵的水凝膠彈性體晶格在壓縮作用下恢復原狀b）沒有共價鍵得水凝膠和彈性體壓縮后失穩(wěn)無法恢復原狀c）具有共價鍵的彈性體和水凝膠蜂窩結(jié)構(gòu)受到彎曲時仍能保持粘接

該課題組將聯(lián)接引發(fā)劑溶于彈性體材料中，分別調(diào)節(jié)彈性體預聚液和水凝膠預聚液的粘度，將兩者以任意順序打印在一起，然后引發(fā)聚合反應，形成具有強韌粘接的水凝膠/彈性體復合體。該課題組通過測試打印出的結(jié)構(gòu)機械性能來確定結(jié)構(gòu)質(zhì)量。在交聯(lián)引發(fā)劑作用下，水凝膠彈性體晶格結(jié)構(gòu)在壓縮作用下不發(fā)生脫粘，恢復初始形狀。而沒有交聯(lián)引發(fā)劑水凝膠彈性體晶格在壓縮作用下發(fā)生粘接，無法恢復初始形狀。該課題組還打印了相互連接的水凝膠和彈性體蜂窩結(jié)構(gòu)在壓縮下，蜂窩結(jié)構(gòu)會彎曲但仍能保持附著。不同于常規(guī)的表面改性，采用本體改性的策略，打印試樣的粘接能可達5000J/m2以上。

該方法適用于多種水凝膠和彈性體，適用于光引發(fā)和熱引發(fā)策略，適用于其他的制備過程，為軟結(jié)構(gòu)的3D打印提供了一種通用的解決方案，在可拉伸器件、軟機器等領(lǐng)域具有良好的應用前景。

參考文獻：
Hang Yang, Chenghai Li,et al. Printing Hydrogels and Elastomers in Arbitrary Sequence with Strong Adhesion[J]. Advanced Functional Materials,2019,3,20191721.

供稿人:張曼玉 田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室