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聚氨酯彈性體是一類具有優(yōu)異機械性能的高分子材料，其獨特的軟段結(jié)構(gòu)提供了良好的彈性和柔韌性，而硬段結(jié)構(gòu)則賦予了其高的強度和耐磨性。這種相分離結(jié)構(gòu)使性能各異的聚氨酯彈性體在汽車、醫(yī)療、電子和紡織等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的聚氨酯彈性體加工方法，如注塑和澆注，通常需要較高的溫度和壓力，且模具制造復(fù)雜、成本高。而光固化3D打印技術(shù)(Vat Photopolymerization 3D Printing)具有快速成型、高精度和復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造能力，使之成為制造聚氨酯彈性體的理想方法。
近日，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所潤滑材料重點實驗室3D打印摩擦器件組在光固化3D打印高性能聚氨酯彈性體研究方面取得重要進展。研究人員通過調(diào)控光敏聚氨酯預(yù)聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)展了具有優(yōu)異光固化3D打印成形能力的高性能聚氨酯彈性體材料，構(gòu)筑了機械承載穩(wěn)定性的生物醫(yī)用支架和具有仿生雙梯度結(jié)構(gòu)的阻尼減振、消音降噪等概念性功能器件。
研究人員通過在聚氨酯前驅(qū)體中引入了脲基和酯基，發(fā)展了多重氫鍵誘導(dǎo)的可快速光固化3D打印的超分子聚氨酯彈性體，獲得的彈性體具有優(yōu)異的高彈性、高強度、韌性以及良好的生物相容性和血液相容性。具有高精度光固化3D打印性能的聚氨酯彈性體綜合了高性能與快速結(jié)構(gòu)制造方面的優(yōu)勢，為具有優(yōu)異抗壓縮承載能力和機械穩(wěn)定性等特性的復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)生物醫(yī)療器械的制造提供了新的材料技術(shù)方案。
另外，受向日葵髓雙梯度結(jié)構(gòu)啟發(fā)，研究人員采用光固化3D打印聚氨酯彈性體設(shè)計構(gòu)筑了具有孔徑和壁厚雙梯度變量的仿生雙梯度結(jié)構(gòu)聚氨酯。這種仿生雙梯度結(jié)構(gòu)聚氨酯具有選擇性的抗屈曲性以及各向異性的機械性能和耗散行為，有效提升了其比強度、能量吸收和抗撕裂性特性，解決了傳統(tǒng)多孔泡沫材料性能調(diào)控難、功能單一等問題，在阻尼緩沖減振和消音降噪等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用潛景。
上述研究豐富了高性能光固化3D打印聚氨酯彈性體材料的種類及其在功能結(jié)構(gòu)器件定制化制造方面的應(yīng)用探索，為其在生物醫(yī)療、柔性電子、摩擦密封等領(lǐng)域的應(yīng)用拓展提供了材料和技術(shù)基礎(chǔ)。
相關(guān)研究成果分別以“Multiple H-bonds Induced Mechanically Robust Vat Photopolymerization 3D Printing Poly(urethane-urea) Elastomers”和“Sunflower Pith Inspired Dual-Gradient Cellular Polyurethane Architecture with Amplified Mechanical Functions”為題發(fā)表在Materials Horizons(Materials Horizons，2024，https：//doi.org/10.1039/D4MH01191K)和Chemical Engineering Journal(Chemical Engineering Journal，2024，500，156740)上。石河子大學(xué)聯(lián)培博士生楊星星和中國科學(xué)院大學(xué)博士生白常成分別為論文第一作者，蘭州化物所劉德勝助理研究員和王曉龍研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“西部之光”創(chuàng)新團隊、中國科學(xué)院特別研究助理資助項目、蘭州化物所重點培育項目和甘肅省科技計劃等項目的支持。
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