我国学者在超高强度和韧性的3D打印弹性体研究方面取得进展

　　

图 （a）单体分子设计；（b）动态键交换及拓扑重构；（c）力学性能比较

　　在国家自然科学基金项目（批准号：U23A2098）等资助下，浙江大学化工学院谢涛教授、吴晶军副研究员在3D打印弹性体材料方面取得进展。研究成果以“超高强度和韧性的3D打印弹性体（3D printable elastomers with exceptional strength and toughness）”为题，于2024年7月3日在线发表于《自然》（Nature）。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07588-6。

　　3D打印，特别是通过紫外光聚合成型的光固化3D打印，能够实现高精度复杂结构的一体化制造，是一种极具潜力的材料加工技术。然而，材料的强度低、韧性差制约了光固化3D打印的大规模应用，其根本原因是材料的分子结构设计与打印加工方式之间存在矛盾，无法同时实现材料的优异力学性能以及快速聚合成型。

　　研究团队利用之前提出的拓扑异构网络（Topology Isomerization Network，TIN）的概念来解耦打印过程与材料性能调控过程（图）。含有动态受阻脲键的聚氨酯丙烯酸酯单体原料具有优异的可打印性，且打印成型之后经过加热处理就能触发动态键交换及网络拓扑异构，进而引入包括互穿网络、多重氢键及微相分离在内的多种增韧机制，大幅提升材料的力学性能。基于上述原理设计的弹性体材料不仅能够实现高精度的光固化3D打印，同时其强度和韧性分别达到了94.6 MPa和310.4 MJ/m³，这些性能远超现在所有的文献报道与商业化产品。

　　本工作展示了通过动态共价网络设计来解决材料加工与性能矛盾的方法，开拓了可光固化打印强韧材料的分子/网络设计新思路，突破了3D打印大规模应用的障碍。同时，研究团队认为聚合物动态共价网络的设计理念，还能推广用于其它类材料的改进与创新。