3D打印具有可調(diào)特性的堅(jiān)固超彈性泡沫，可用于鞋類和汽車座椅

克利夫蘭開普西儲(chǔ)大學(xué)的一個(gè)研究小組最近完成了一組有趣的3D打印材料，這些材料可能有很多有用的應(yīng)用。該項(xiàng)目是由Rigoberto Advincula教授與高琪分子科學(xué)與工程系的Qiqi Chen和Peng-Fei Cao共同完成的。他們的工作在一篇名為“機(jī)械堅(jiān)固，具有3D打印可調(diào)性能的超彈性等級(jí)泡沫”的論文中詳細(xì)介紹，發(fā)表在Advanced Functional Materials雜志上。該團(tuán)隊(duì)使用粘性溶液（VSP）3D打印技術(shù)（也稱為直接墨水書寫（DIW））制造超彈性泡沫。

使用數(shù)字3D模型的直接打印功能可以高精度地生成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使工程師能夠在微觀和宏觀尺度上對(duì)孔隙度進(jìn)行大量控制。該研究使用聚氨酯，一種常見的塑料材料進(jìn)行。 3D打印可以使材料的結(jié)構(gòu)在不同的層面上得到控制，使其具有多孔性，從而顯著改善所需性能。與模制或鑄造方法相比，3D打印在泡沫的最終結(jié)構(gòu)方面提供了更高水平的復(fù)雜性。VSP 3D打印技術(shù)利用注射器，將粘性油墨材料擠出到構(gòu)建板上，設(shè)置就位，以便逐層創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)。這種3D打印技術(shù)比常規(guī)的FDM擠出方法具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗梢杂酶喾N類的材料進(jìn)行打印。這些包括金屬，水凝膠和氣凝膠，以及陶瓷和熱塑性塑料。

在3D打印技術(shù)中使用的油墨是觸變性材料，這意味著它不流暢并且在外部應(yīng)力下可變形。這些油墨通過簡(jiǎn)單的一鍋法制備，其中將二重納米顆粒（納米粘土和二氧化硅納米顆粒）分散在聚氨酯懸浮液中。精確控制油墨的粘度，以及注射器的設(shè)計(jì)，打印參數(shù)和3D設(shè)計(jì)本身，都可以對(duì)最終3D打印結(jié)構(gòu)進(jìn)行高度控制。熱塑性聚氨酯（TPU）是用分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)制造的。在宏觀尺度上，通過將它們放置在最初的3D設(shè)計(jì)中，在結(jié)構(gòu)中制造更大尺寸的孔。在下一級(jí)時(shí)，當(dāng)物體浸入水中時(shí)，通過印后相分離過程產(chǎn)生大的微孔。通過化學(xué)蝕刻產(chǎn)生最小的微孔。

得到的TPU泡沫結(jié)構(gòu)重量輕，并且表現(xiàn)出良好的機(jī)械強(qiáng)度。他們還擁有前所未有的彈性，超過1000次的壓縮循環(huán)，以及卓越的堅(jiān)固性，在超過其自身重量20,000倍的負(fù)載之后迅速完全恢復(fù)。

超彈性泡沫的機(jī)械性能可以根據(jù)它們用于的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。他們的導(dǎo)電性能也是如此。作為演示，將由泡沫制成的小海綿浸入碳納米管（CNT）在水中的溶液中。由于van de Waal的強(qiáng)大力量，碳納米管緊緊抓住TPU泡沫的表面。干燥后，將泡沫貼在電路板上并用作高靈敏的電阻式電阻率傳感器。這實(shí)際上是一個(gè)彈性電源開關(guān)，可以將其壓縮以打開或關(guān)閉電路。

除了柔性電子設(shè)備外，這種3D可打印TPU泡沫還可用于改善聚氨酯的許多其他現(xiàn)有應(yīng)用，包括鞋類（如New Balance）汽車座椅，包裝和組織工程腳手架。油墨混合物也可以改變，以獲得與聚氨酯以外的塑料類似的效果。

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