光固化成型高纏結交聯(lián)可拉伸泡沫的增材制造

來源：EFL生物3D打印與生物制造

聚合物泡沫在隔熱、吸聲及生物醫(yī)學等領域需求廣泛，傳統(tǒng)擠出式3D打印技術（如FFF、DIW）制備的泡沫存在層間孔隙分布不均、幾何精度不足的問題，而光固化立體成型（VPP）技術雖精度高，但固化后高交聯(lián)密度限制聚合物鏈運動，導致發(fā)泡困難?，F(xiàn)有光固化泡沫制備方法（如高內相乳液模板法、溶劑刻蝕法）難以平衡打印精度與膨脹率。   

來自中國科學院福建物質結構研究所吳立新研究員和翁子驤高級工程師開發(fā)了一種含動態(tài)聚脲鍵的聚氨酯預聚體（PUB）基光固化樹脂體系。通過引入熱膨脹微球（TEMs）作為發(fā)泡劑，利用動態(tài)共價鍵熱解離特性，在紫外固化時維持高模量保證打印精度，加熱后降低交聯(lián)密度使TEMs膨脹成孔，同時熱引發(fā)鏈延伸和二次交聯(lián)提升泡沫拉伸性能（應變達650%）。該體系解決了光固化技術中發(fā)泡與精度難以兼顧的難題，實現(xiàn)了高精度打印與高膨脹率的平衡。   

相關工作以“Vat photopolymerization of stretchable foam with highly entangled and crosslinked structures”為題發(fā)表在《Nature Communications》上。

研究內容
1. 傳統(tǒng)光固化樹脂發(fā)泡局限性與動態(tài)共價鍵機制分析，通過對比傳統(tǒng)紫外固化樹脂與含動態(tài)聚脲鍵（PUB）的光固化體系，研究光固化過程中交聯(lián)密度對發(fā)泡能力的影響。結果表明，傳統(tǒng)樹脂高交聯(lián)密度限制鏈運動導致無法發(fā)泡，而PUB體系通過熱解離動態(tài)脲鍵降低交聯(lián)密度，結合熱膨脹微球（TEMs）實現(xiàn)可控發(fā)泡，同時熱引發(fā)鏈延伸提升材料拉伸性能（應變達650%）。      

圖1.傳統(tǒng)光固化樹脂與PUB體系發(fā)泡機制對比。   

2. 含TEMs的光固化樹脂制備與打印精度驗證，利用線性掃描光固化（LSVP）技術打印含TEMs的PUB樹脂樣品，通過測量尺寸誤差（<0.2%）和掃描電鏡（SEM）觀察微觀結構，研究單體類型（如IBOMA、LMA）對打印精度和泡沫性能的影響。結果顯示，引入剛性單體IBOMA可制備高精度剛性泡沫（尺寸誤差<200微米），而柔性單體LMA則賦予泡沫高回彈性，且發(fā)泡精度與單體類型無關。      

圖2. 3D打印泡沫的機械性能與成型精度驗證。   

3. 泡沫力學性能調控與晶格結構設計，通過改變TEMs含量（5-20 phr）和單體組成，結合壓縮/拉伸測試及有限元分析（FEA），研究泡沫密度（0.05-0.8 g/cm³）與力學性能的關系。結果表明，高密度泡沫（如IBOMA30-TEMs5）壓縮強度達22 MPa，低密度泡沫（0.05 g/cm³）可支撐自身重量1000倍載荷，且不同晶格結構（如菱形、桁架）可調節(jié)能量吸收效率（最高41.7%）。      

圖3. 單體調控泡沫的力學行為與交聯(lián)網絡機制。   

4. 復雜晶格結構的輕量化應用與熱恢復性能，利用LCD光固化3D打印機制造含復雜晶格的泡沫部件（如鞋中底、玻璃保護罩），通過跌落測試和熱循環(huán)壓縮實驗，研究泡沫的能量吸收能力和形變恢復特性。結果顯示，泡沫保護的玻璃從2米高處跌落未破損，且經90%應變壓縮后，加熱至70°C可恢復90%以上尺寸，循環(huán)10次性能保持穩(wěn)定。      

圖4. 高纏結交聯(lián)泡沫的輕量化應用與熱恢復性能。

研究結論
本研究開發(fā)了一種適用于光固化立體成型（VPP）的可發(fā)泡紫外固化樹脂體系，其制備的坯體可實現(xiàn)各向同性膨脹并保持原始尺寸比例。通過改變單體類型，打印泡沫性能可從高強度到高回彈性靈活調控，密度范圍為0.1–1 g/cm³，滿足多種應用需求。值得注意的是，打印泡沫經形變后可通過簡單熱處理恢復并重復使用。該可發(fā)泡紫外固化樹脂使現(xiàn)代VPP技術能夠制備廣泛應用的聚合物泡沫材料，為高精度、高機械性能泡沫的3D打印提供了新策略，在輕量化結構、緩沖保護和功能器件等領域展現(xiàn)出廣闊應用前景。

文章來源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60087-8