刚性还是弹性？通过3D打印改变特性的塑料材料

近年来，许多大学研究项目都集中在利用增材制造开发多功能材料。例如，在医学领域，开发能够再生器官或骨骼结构的组织以及设计尖端的生物医学设备非常重要。与此同时，在其他领域，工作重点是创建新的3D打印架构，提供广泛的潜在应用。

为了证明这一点，爱丽丝·弗格森（Alice  Fergerson）和艾米丽·戴维森（Emily  Davidson）领导的普林斯顿大学工程师团队开发了一种能够适应不同灵活性水平的塑料材料。这种材料由一类称为TPE的聚合物组成，可以设计和制造刚性可调节的柔性3D打印结构。通过3D打印，工程师能够控制这种材料的物理特性，使织物能够在一个方向上反复拉伸和弯曲，同时保持另一个方向的刚度。

塑料材质的特性

普林斯顿大学工程团队选择的热塑性弹性体是一种嵌段共聚物，可以在熔融时成型。当它冷却时，它会凝固形成弹性结构。这种现象可以通过由均聚物组成的共聚物内部组分的行为来解释，它们像油和水一样分离而不是混合。研究人员利用这一特性创造了一种由分散在弹性基质中的刚性圆柱体组成的材料，这种材料可以在保持其内部特性的同时保持柔韧性。

这种塑料材料的刚性圆柱形结构厚度为5至7纳米，嵌入弹性聚合物基质中。为了更好地理解这个尺度，这里有两个比较：人类头发的直径约为90,000纳米，而DNA螺旋的直径约为1纳米。研究人员还研究了如何使用打印速度和受控材料挤出来调节打印材料的物理性能。使用3D打印，圆柱体可以在纳米水平上定向，从而创建一种提供局部刚度同时保持柔软和弹性区域的材料。

其自我修复特性

该工艺最有趣的方面在于塑料的热退火及其自愈特性。Alice   Fergerson解释说，热退火显着提高了打印后的材料性能。这个过程允许在实验室打印的物体可以重复使用多次，甚至在损坏时可以自我修复。为了证明这些自愈特性，研究人员切割了印刷材料的柔性样本，并通过退火对其进行修复。根据他们的观察，修复后的材料与原始材料没有明显差异。

戴维森指出，在其他情况下使用的类似材料非常昂贵，并且需要复杂的加工，例如受控挤压，然后进行紫外线处理。这些材料的成本可达每克2.50美元左右。相比之下，该项目中使用的热塑性弹性体每克成本仅为一便士左右，并且可以使用商业3D打印机进行打印。这使得这种材料不仅经济，而且可用于低成本打印解决方案。

该项目的主要目标之一是开发具有局部可调机械性能的柔性材料，同时采用经济高效且易于扩展的工业方法。Emily Davidson认为，这种设计先进软材料的方法可以在各个领域得到应用，例如软机器人、医疗设备、假肢以及高性能定制鞋底。研究团队的下一步将是创建新的3D打印架构，与可穿戴电子产品和生物医学设备等应用兼容。

编译整理：3dnatives