Die Kombination aus Flexibilität und Elastizität macht elastische Materialien in einer Vielzahl von Branchen unverzichtbar, darunter in der Automobil-, Bau- und Konsumgüterindustrie. Darüber hinaus werden sie in aufstrebenden Bereichen wie Mikrofluidik, Soft-Robotik, Wearables und medizinischen Geräten immer attraktiver. Voraussetzung für jede Anwendung ist jedoch eine ausreichende mechanische Festigkeit. Daher war die Lösung der scheinbar widersprüchlichen Eigenschaften zwischen Weichheit und Stärke schon immer ein ewiges Streben.
Natürliche Spinnenseide hat eine außergewöhnliche Festigkeit und bietet eine kontinuierliche Inspirationsquelle für die Gestaltung synthetischer weicher Materialien. Obwohl seine einzigartige Überstruktur schwer zu reproduzieren ist, liefert das allgemeinere Prinzip der Gestaltung geschichteter Strukturen nützliche Hinweise für die Gestaltung elastischer Materialien mit hoher mechanischer Festigkeit. Die oben genannten Designprinzipien können jedoch nicht direkt auf den 3D-Druck auf Basis der digitalen Lichtverarbeitung (DLP) angewendet werden. Der DLP-Druck erfordert eine schnelle Lichthärtung, um die nötige schnelle Gelierung zu erreichen. Daher enthalten Photopolymerharze typischerweise eine erhebliche Menge an multifunktionellen Acrylaten oder Methacrylaten, was die Freiheit des molekularen Designs stark einschränkt. Darüber hinaus kann eine schnelle Erstarrung zu einer ungleichmäßigen Netzwerkbildung und Eigenspannungen führen, die sich ebenfalls nachteilig auf die mechanische Leistung auswirken.
Das Potenzial für eine Massenproduktion des 3D-Drucks wird durch die geringe Fertigungseffizienz (Druckgeschwindigkeit) und die unzureichende Produktqualität (mechanische Leistung) behindert. Die neuesten Fortschritte beim ultraschnellen 3D-Druck von Photopolymer mildern das Problem der Fertigungseffizienz, aber die typischen mechanischen Eigenschaften von gedrucktem Polymer liegen immer noch weit hinter herkömmlichen Verarbeitungstechniken zurück.
Kürzlich veröffentlichte das Team von Professor Xie Tao und dem assoziierten Forscher Wu Jingjun von der School of Chemical Engineering and Bioengineering der Zhejiang-Universität einen Artikel mit dem Titel „3D-druckbare Elastomere mit außergewöhnlicher Festigkeit und Zähigkeit“ in Nature. Die Studie berichtete über eine 3D-Fotodruck-Harzchemie, die Elastomere mit einer Zugfestigkeit von 94,6 MPa und einer Zähigkeit von 310,4 MJ m-3 produzierte, was weit über jedem 3D-gedruckten Elastomer liegt. Mechanisch gesehen wird dies durch das Drucken dynamischer kovalenter Bindungen in Polymeren erreicht, was eine Neukonfiguration der Netzwerktopologie ermöglicht und die Bildung hierarchischer Wasserstoffbrückenbindungen (insbesondere Amid-Wasserstoffbrückenbindungen), Mikrophasentrennung und sich gegenseitig durchdringender Strukturen erleichtert, wodurch hervorragende mechanische Eigenschaften synergetisch gefördert werden. Diese Arbeit bietet eine bessere Zukunft für die Großserienfertigung mittels 3D-Druck.
Abbildung 1: Chemisches Design von 3D-fotogedruckten Elastomeren © 2024 Springer Nature
Abbildung 2. Mechanische Eigenschaften von Elastomeren und ihre Verstärkungs- und Zähigkeitsmechanismen © 2024 Springer Nature
Abbildung 3. Elastizität und mechanische Eigenschaften von Elastomeren © 2024 Springer Nature
Abbildung 4: Starke und robuste Elastomere, gedruckt von DLP © 2024 Springer Nature
Die Möglichkeit, in dieser Arbeit superstarke und extrem robuste Materialien in 3D zu drucken, erweitert den Einsatzbereich unter extrem rauen Bedingungen weit über die beiden im Artikel vorgestellten Beispiele hinaus. Darüber hinaus wurde der Druckvorläufer in dieser Arbeit unter Verwendung leicht verfügbarer Reagenzien in einfachen Schritten synthetisiert, was seine niedrigen Kosten gewährleistet. Obwohl es andere etablierte Prinzipien für die Entwicklung von Polymeren mit überlegenen mechanischen Eigenschaften gibt, ist es aufgrund der strengen Anforderungen für den Fotodruck, einschließlich schneller Gelierung unter Licht und ausreichender Behälterlebensdauer während des Druckens und der Lagerung, schwierig, diese direkt auf den 3D-Druck anzuwenden. Dennoch liefern sie nützliche Erkenntnisse für die zukünftige Entwicklung alternativer Hochleistungs-3D-Druckmaterialien. Insgesamt deutet die Studie darauf hin, dass der 3D-Druck nicht unbedingt die mechanische Leistung beeinträchtigt, was ein großes Hindernis für seine zukünftige kommerzielle Umsetzung darstellt.
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