普林斯顿大学（Princeton）的工程师们开发出了一种可扩展的三维打印技术，用于生产具有可定制的伸展性和柔韧性的软塑料，同时还具有可回收性和成本效益--这些特性在市售材料中很少能同时具备。

与需要复杂加工的类似材料不同，这种塑料可以用 3D 打印机制作。 图片来源：Sameer A. Khan/Fotobuddy

在发表于Advanced Functional Materials的一项研究中，由艾米丽-戴维森（Emily Davidson）领导的研究小组详细介绍了他们如何利用热塑性弹性体--一类可广泛使用的聚合物--来制造出具有可调节刚度的3D打印结构。 通过设计三维打印机的打印路径，工程师们可以对塑料的物理特性进行编程，使设备在一个方向上伸展和弯曲，而在另一个方向上保持刚性。

化学与生物工程助理教授戴维森强调了这项技术在软机器人、医疗设备、假肢、轻质头盔和定制高性能鞋底等领域的潜在应用。

材料性能的关键在于其最微小的内部结构。 研究小组使用了一种嵌段共聚物，这种嵌段共聚物能在具有弹性的聚合物基质中形成厚度为5-7纳米（相比之下，人类头发的厚度约为90000纳米）的坚硬圆柱结构。 研究人员利用三维打印技术为这些纳米级圆柱体定向，从而获得了一种在一个方向上坚硬，但在几乎所有其他方向上柔软且具有弹性的三维打印材料。 设计人员可以将这些圆柱体定向到单个物体的不同方向，从而设计出在物体的不同区域表现出硬度和伸展性的软结构。

戴维森说："我们使用的弹性体能形成我们能够控制的纳米结构。 这使设计人员能够在很大程度上控制成品。我们可以创造出在不同方向上具有定制特性的材料"。

开发这种工艺的第一步是选择合适的聚合物。 研究人员选择了一种热塑性弹性体，这是一种嵌段共聚物，可作为聚合物熔体进行加热和加工，但冷却后会凝固成弹性材料。 在分子水平上，聚合物是由相互连接的分子组成的长链。 传统的均聚物是由一个重复分子组成的长链，而嵌段共聚物则是由不同的均聚物相互连接而成。 嵌段共聚物链上的这些不同区域就像油和水，它们相互分离而不是混合。 研究人员利用这一特性生产出了在具有伸缩性的基质中含有坚硬圆柱体的材料。

研究人员利用他们对这些嵌段共聚物纳米结构如何形成及其对流动的反应的了解，开发出了一种三维打印技术，能有效地促使这些坚硬的纳米结构排列整齐。 研究人员分析了如何利用打印速度和受控欠挤压来控制打印材料的物理性质。

文章的第一作者、普林斯顿大学研究生爱丽丝-费格森（Alice Fergerson）介绍了这项技术，以及热退火--对材料进行有控制的加热和冷却--所发挥的关键作用。

通过控制材料的内部结构，工程师可以制造出具有各种特性的物体。 图片来源：Sameer A. Khan/Fotobuddy

"我认为这项技术最酷的部分之一就是热退火所发挥的多种作用--它既能大幅提高打印后的性能，又能让我们打印出来的东西多次重复使用，甚至在物品损坏或破损时还能自我修复。"

戴维森说，该项目的目标之一是创造出具有局部可调机械特性的软材料，使工业界既能负担得起，又能扩大规模。 利用液晶弹性体等材料可以制造出具有局部可控特性的类似结构。 但戴维森说，这些材料既昂贵（每克高达 2.50 美元以上），又需要经过多道工序加工，包括仔细控制挤压，然后暴露在紫外线下。 戴维森实验室使用的热塑性弹性体每克成本约为 1 美分，可以用商用 3D 打印机打印。

研究人员展示了他们的技术在热塑性弹性体中加入功能添加剂的能力，而不会降低控制材料特性的能力。 在一个例子中，他们加入了一种由 Lynn Loo 教授研究小组开发的有机分子，这种分子能使塑料在紫外线照射下发出红光。 他们还展示了打印机生产复杂多层结构的能力，包括一个小塑料花瓶和用急转弯拼出 PRINCETON 的印刷文字。

退火在他们的工艺中发挥了关键作用，它提高了内部纳米结构秩序的完美性。 戴维森说，退火还能实现材料的自愈特性。 作为这项工作的一部分，研究人员可以切割打印塑料的柔性样品，并通过退火将材料重新连接起来。 修复后的材料显示出与原始样本相同的特性。 研究人员说，他们观察到原始材料和修复材料之间"没有明显差异"。

下一步，研究小组将开始探索新的三维可打印架构，这些架构将与可穿戴电子设备和生物医学设备等应用兼容。

编译自/scitechdaily