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

來源：高分子科學前沿

背景介紹
3D打印見證了一個高度復雜的定制產品成為現(xiàn)實的新時代。因此，3D打印在醫(yī)療設備、航空航天結構、能源設備和軟機器人等工程應用中顯示出巨大的應用前景。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的進一步創(chuàng)新，如z-維的連續(xù)構建，可以實現(xiàn)遠遠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，限制了該技術的廣泛應用。原則上，如果將DLP技術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

成果簡介
近日，來自浙江大學化學工程聯(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，可以進一步轉化為各種材料/設備。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打印在構建功能3D設備 (包括可重構天線、形狀移動結構和微流體) 方面的應用范圍。該研究成果以題為“RapidOpen-Air Digital Light 3D Printing of Thermoplastic Polymer”的論文發(fā)表在國際知名學術期刊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)的固化動力學對比。c) 多種打印結構。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結構。

圖2.快速敞口打印過程。a)表面氧阻聚在固化樹脂切片內沿z方向深度衰減。b)分子量和雙鍵轉化率沿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的影響。

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

亮點小結
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化學工程與生物工程學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。