增材制造，给你意想不到—— 可3D打印的多功能超弹性硅橡胶泡沫

来源：高分子科学前沿

3D打印作为一种常见的增材制造法，以其无与伦比的自由度，绕过了传统复杂和昂贵的成型加工路线，创造出复杂的几何形状。迅速发展的“无模制造”工艺可以从微观尺度控制宏观结构，进而发现材料的多种未知功能。

近日，美国凯斯西储大学高分子科学与工程系的RigobertoC. Advincula教授课题组提出了一种新颖的多功能3D打印方案，采用特殊配方的聚二甲基硅氧烷（PDMS）油墨，结合盐浸方法（即添加盐可以作为致孔剂，产生更高的孔隙度）得到的3D打印硅胶泡沫，该泡沫具有三维多孔结构和多维可调性，展现出前所未有的超高弹性，包括极端压缩性（可多次承受超过其自身重量80000倍的压力），超高循环耐久性（1000次压缩后的塑性变形可忽略不计），优异的拉伸性（最大伸长率可达210％），超疏水性（水接触角>150°）等。此外，它的多功能性体还现在，可以作为超吸收剂（吸油能力为1325％）和应变传感器（将碳纳米管（CNT）涂覆在硅泡沫表面即可）。

该实验所开发的技术实现了首次通过3D打印制备多孔硅橡胶，并且具有可调节的结构和出色的性能。由于能够轻松打印设计好构架，我们可以在现有的硅树脂泡沫应用中开辟广泛的新功能和应用，包括传感器、软机器人和生物医学材料等。

图1. A）利用3D打印制备复杂结构的三维多孔硅弹性体；B-D）分别是f＃1至f＃3的储能模量（G'）和损耗模量（G''）；E）在三种不同配方的油墨中加入盐之前和之后的G'变化；F）在三种不同配方的油墨中加入盐之前和之后的屈服应力（τ）变化；G）将所制备的聚二甲基硅氧烷（PDMS）油墨3D打印金字塔。

图2. A，B）PDMS泡沫内部微观孔隙的扫描电镜（SEM）图。（i-iii）分别是由f＃1、f＃2、f＃3制备的样品；C）3D打印物体中的分层孔隙度的图示。左图：宏观图。中间：SEM下的大孔。右图：SEM下的微孔；D）由3D打印制备章鱼、金字塔、半球和蝴蝶的PDMS泡沫样块；E，F）由3D打印制备立方和狗骨形PDMS泡沫的网格结构，具有三种不同的间隙：0，0.4和0.7mm。

图3. A）3D打印金字塔可以在重度压缩后恢复90％；B-G）来自f＃1，0.4mm网格间隙的PDMS泡沫的多次压缩性质；B）设定不同应变的循环压缩试验；C）在80％应变下进行10次压缩循环的循环耐久性试验。插图为PDMS泡沫在应变为0％（底部）和80％（顶部）的图像；D）在不同压缩率下的循环压缩测试；E）在60％应变下进行1000次压缩循环的循环耐久性试验；F）在80％应变下进行10次压缩循环的最大应力和总应变损失；G）在60％应变下进行1000次压缩循环的最大应力和总应变损失。

图4. A）三种不同配方制备的0.4 mm间隙的网格的压缩测试；B）左：来自f＃1的三个不同间隙的狗骨形网格的拉伸试验。右：拉伸试验前后的图像；C）不同配方和网格间隙的压缩模量和最大压缩应力；D）不同配方和网格间隙的拉伸模量和断裂应变；E，F）使用f＃1（掺杂CNT）和f＃3 3D打印的立方网格和狗骨形网格，以及压缩和拉伸演示图像。

图5. A）3D打印的PDMS泡沫的表面亲疏水性，蓝色为水，红色为油；B）PDMS泡沫表面与水滴的接触角图像；C）照片显示，PDMS泡沫在水中的选择性吸油的照片；D）吸收油后的PDMS泡沫发生溶胀；E）不同配方和间隙的PDMS泡沫的吸油性；F）压缩3D打印传感器时的电阻变化。插图：压缩时的光强度变化（左）。CNT在PDMS泡沫上的表面吸附（右）；G）在80％应变下10次压缩循环的电阻变化；H）3D打印指环在弯曲时的电阻变化。

全文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201900469

来源：高分子科学前沿