浙江大學(xué)謝濤團(tuán)隊：實現(xiàn)數(shù)字光處理3D打印熱塑性聚合物！

來源：高分子科學(xué)前沿

背景介紹
3D打印見證了一個高度復(fù)雜的定制產(chǎn)品成為現(xiàn)實的新時代。因此，3D打印在醫(yī)療設(shè)備、航空航天結(jié)構(gòu)、能源設(shè)備和軟機器人等工程應(yīng)用中顯示出巨大的應(yīng)用前景。然而，目前3D打印依然受到各種因素的限制，其中打印速度和材料的通用性是最關(guān)鍵的。在打印速度方面，采用數(shù)字光處理(DLP)的逐層打印比采用熔融沉積成型(FDM)和立體光刻(SLA)等方法的逐點打印具有明顯的優(yōu)勢。對DLP的進(jìn)一步創(chuàng)新，如z-維的連續(xù)構(gòu)建，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何其他方法的打印速度。一般來說，DLP采用多官能度的液態(tài)樹脂，在數(shù)字光照射下，樹脂發(fā)生交聯(lián)，形成熱固性聚合物，實現(xiàn)快速液固分離，但打印得到的熱固性聚合物無法再加工，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。原則上，如果將DLP技術(shù)擴展到可再加工的熱塑性聚合物，就可以克服這一限制。液態(tài)單體和對應(yīng)的低分子量非交聯(lián)聚合物通常具有很好的混溶性，所以想要獲得單體和非交聯(lián)聚合物之間能夠快速分離的獨特DLP技術(shù)并不簡單。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201903970

本工作實現(xiàn)了熱塑性聚合物的DLP 3D打印技術(shù)

成果簡介
近日，來自浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室教授謝濤課題組，報道了通過控制打印過程中同時發(fā)生的兩個相互競爭的動力學(xué)過程 (聚合和聚合物溶解) 來實現(xiàn)熱塑性聚合物DLP 3D打印的成功嘗試。以選定的單體4 -丙烯酰嗎啉(ACMO)為例，演示了熱塑性三維支架的打印，利用其獨特的水溶性特性，可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為各種材料/設(shè)備。ACMO的超低粘度，加上表面氧阻聚，使新鮮樹脂快速鋪展在已固化的平面，可實現(xiàn)高速3D打印。該工藝簡單的實現(xiàn)機制和材料的通用性拓寬了3D打印在構(gòu)建功能3D設(shè)備 (包括可重構(gòu)天線、形狀移動結(jié)構(gòu)和微流體) 方面的應(yīng)用范圍。該研究成果以題為“RapidOpen-Air Digital Light 3D Printing of Thermoplastic Polymer”的論文發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊AdvancedMaterials上（見文后原文鏈接）。

圖文速覽

圖1. DLP打印熱塑性ACMO樹脂的可行性。a)自上而下的DLP設(shè)備和打印配方。b) ACMO樹脂與商用熱固性丙烯酸酯樹脂(FSL-C, S-MAKER)的固化動力學(xué)對比。c) 多種打印結(jié)構(gòu)。d) UV固化后打印出不同半徑的柱子。e) 微型開爾文晶格及其SEM結(jié)構(gòu)。

圖2.快速敞口打印過程。a)表面氧阻聚在固化樹脂切片內(nèi)沿z方向深度衰減。b)分子量和雙鍵轉(zhuǎn)化率沿z方向深度變化的定量分析。c)光照時間對抑制表面氧阻聚深度的影響。d)氬氣處理樹脂、對照樣品與氧氣處理樹脂快速打印模型比較。

圖3. ACMO聚合物的熱塑性特性。a) 隨著配方中硫醇含量的增加，流動性增強。b) 硫醇含量對聚合物分子量和熔融指數(shù)的影響。c) 熱塑性聚合物和商用熱固性樹脂打印件的水溶性對比 d) 硫醇含量對聚合物分子量和溶解動力學(xué)的影響。

圖4.演示了犧牲模塑的應(yīng)用。a) 環(huán)氧SMP形狀記憶循環(huán)。b) 基于液體金屬的可重構(gòu)天線的制造工藝。c) 可重構(gòu)天線的頻率調(diào)諧。d) 基于PDMS的微流控裝置。

亮點小結(jié)
從原理、材料和工藝出發(fā)，本工作將DLP打印的范圍從熱固性聚合物拓展到了熱塑性聚合物，利用材料本身粘度低，表層氧阻聚嚴(yán)重的特點實現(xiàn)了高速打印。此外，將一些無法通過傳統(tǒng)DLP技術(shù)打印的材料，使用DLP打印熱塑性聚合物作為犧牲模具，實現(xiàn)了這些材料的DLP打印。該工作實現(xiàn)了高速打印熱塑性聚合物，這可能會帶來更多的技術(shù)機遇，超出本研究所展示的成果。本工作第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院在讀博士生鄧詩泓，論文的第一通訊作者為謝濤教授，論文第二通訊作者為吳晶軍博士。