SUTD研究人員3D打印可生物降解導電電子產(chǎn)品

2025年7月11日，南極熊獲悉，由新加坡科技設計大學 (SUTD) 副教授 Michinao Hashimoto 領導的研究團隊開發(fā)了一種新穎的 3D 打印方法，可以將可生物降解的材料轉化為導電結構。

相關研究以題為《Extrusion Printing ofElectrically Conductive Polymer Composites via Immersion Precipitation/通過浸沒沉淀法擠出打印導電聚合物復合材料》的論文發(fā)表在《ACS 應用工程材料》雜志上。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaenm.4c00685

研究團隊探索了醋酸纖維素的使用，這是一種源自植物的可生物降解塑料，日益被視為合成聚合物的綠色替代品。然而，用它進行打印遠非易事。論文作者橋本副教授說道：“隨著3D打印技術的進步，這項技術不再僅僅局限于塑料的塑形。它還能融入導電性等功能，從而直接利用可持續(xù)材料制造設備。”

傳統(tǒng)的擠壓式打印方法，例如熔融沉積成型，依賴于高溫——醋酸纖維素無法承受高溫，否則會降解。其他方法，例如薄膜澆鑄，則缺乏數(shù)字化制造所需的精度和靈活性。

為了解決這個問題，研究人員轉向了直接墨水書寫技術，即在室溫下擠出聚合物墨水。他們的定制墨水將溶解在丙酮中的醋酸纖維素與石墨微粒結合在一起，以實現(xiàn)導電性。然而，由于丙酮揮發(fā)緩慢，墨水在空氣中擴散過于容易，導致打印清晰度不佳。

△來源：新加坡科技設計大學

研究人員引入了一種水介質，從而取得了突破。通過將墨水直接擠壓到水中，他們啟動了一個稱為“浸沒沉淀”的過程，水迅速從墨水中提取丙酮，從而使墨水在原位固化。重要的是，這個過程阻止了材料擴散，從而形成了清晰銳利的3D結構。

橋本副教授解釋說：“這是首次將浸沒沉淀法與3D打印技術相結合，實現(xiàn)導電聚合物復合材料。它讓我們能夠打印填料含量遠高于以往的油墨，而不會出現(xiàn)堵塞或結構坍塌的情況�！�

大多數(shù)打印方法難以處理重量百分比超過30%至50%的導電填料。超過這個比例，噴嘴堵塞或形狀控制就會成為問題。但研究人員利用基于浸沒的技術，能夠將石墨濃度提升至60%，同時保持良好的打印適性和均勻性。打印復合材料的電導率超過30 S/m，足以支持柔性電路和軟傳感器等應用。

他們還演示了如何利用這些打印復合材料完成電路，成功為發(fā)光二極管 (LED) 供電。為了進一步展示其方法的多功能性，他們將懸垂螺旋結構打印到凝膠基支撐介質中，無需傳統(tǒng)的支架或后處理即可實現(xiàn)復雜的幾何形狀。

論文的主要作者阿倫拉杰·S/O·奇丹巴拉姆博士 (Dr. Arunraj S/O Chidambaram) 說道：“無需支撐，僅使用凝膠浴即可打印懸垂結構，這確實拓展了我們的研究范圍。相比打印犧牲結構，然后再移除，這是一種更簡潔、更高效的方法�！�

環(huán)境可持續(xù)性是該項目的主要驅動力。醋酸纖維素和石墨均可生物降解且廣泛可用。墨水中使用的溶劑丙酮毒性低，且易于在土壤和水中降解。將這些材料結合起來，團隊能夠提供一種可行的電子制造方法，從而減少對環(huán)境的影響。

新加坡科技設計大學團隊計劃將該方法應用于其他聚合物-填料組合，并測試打印材料在實際條件下的長期性能。最終目標是創(chuàng)建一個可擴展、低成本的平臺，用于生產(chǎn)可持續(xù)的高性能設備。

橋本副教授補充道：“通過調(diào)整材料特性和改進工藝，我們的目標是建立一個完整的可打印功能復合材料庫，以滿足特定應用的需求——無論是可穿戴技術、生物傳感器還是柔性電路�！�