我校游正伟教授团队在3D打印热固性材料领域发表系列研究成果
近日，我校纤维材料改性重点国家实验室游正伟教授团队在3D打印热固性材料领域取得重要进展，相关成果以《一种3D打印热固性材料的通用策略及其多样化应用》(A general strategy of 3D printing thermosets fordiverse applications)和《3D打印一体定制弹性可持续的面向可穿戴电子设备的摩擦纳米发电机》（A Single Integrated 3D‐Printing Process Customizes Elastic and Sustainable Triboelectric Nanogenerators for Wearable Electronics）为题，分别发表于材料学领域著名期刊《Materials Horizons》和《Advanced Functional Materials》。
盐粒+热固性材料预聚物=3D“复合打印墨水”
3D打印技术是近年来新兴的先进加工手段，因其可快速高效地制造精细复杂的立体结构，方便个性化定制等特点，在诸多领域均展示出良好的应用前景。热固性材料具有出色的力学性能、热稳定性和耐化学性，被广泛地应用于航空航天、汽车、船舶和能源等各种产业中，然而大多数热固性材料尤其是非光固化一类材料的成型都需要一个较长的交联过程，难以匹配3D打印连续化的制造方式。如何让前沿3D技术成功驾驭热固性材料，在拓展可3D打印材料种类的同时又增加热固性材料的设计和加工自由度？对此，游正伟教授团队提出了一种新颖的策略，他们巧妙地将盐粒和热固性材料预聚物结合为可3D打印的“复合墨水”，盐粒在3D打印过程中起到增稠剂的作用，保证顺利打印成型；同时在热固化过程中，盐粒又起到增强剂的作用，实现打印的三维立体结构在高温高真空交联过程中保形；在打印过程中盐粒固化成型后，盐粒可以方便地被水溶解除去，从而又作为致孔剂获得了多孔的结构。该策略具有良好的通用性，可以实现多种热固性材料例如交联聚酯、聚氨酯、环氧树脂的直接挤出式3D打印，打印出来的结构还具有常规3D打印难以获得的微孔。
（3D打印热固性材料策略的设计理念及多样化应用）
生活中最常见的食盐竟然有如此妙用，《一种3D打印热固性材料的通用策略及其多样化应用》第一作者东华大学博士生雷东介绍说，加入食盐的灵感来源于土木工程中常用的混凝土材料，水泥混入一定比例的石子、沙子等填充材料用以加固支撑结构，提高抗压强度。从灵感产生到应用于实验，雷东说,课题组成员没少花功夫，对食盐粒径大小、复配方式及比例、打印温度、打印速率等多项参数都进行了反复试验，以求达优化到最佳实验效果。
（3D打印柔性驱动器）
课题组以热固性弹性体为例，开展了相关应用研究。利用打印弹性体对溶剂的大尺寸溶胀效应和微孔结构高效吸附与解吸作用，构建了可反复循环响应的气体传感器。利用3D打印个性化定制的优势构建了梯度化结构的柔性溶剂驱动器，可对溶剂即时响应并发生大尺度的形变，在软体机器人等领域具有潜在的应用前景。另外课题组和上海交通大学附属瑞金医院的赵强教授和叶晓峰副主任医师团队合作，证实采用该技术所打印热固性的三维多孔支架具有良好的力学强度、弹性和耐疲劳性，可作为心肌补片而有效治疗大鼠心肌梗塞模型。该支架具有很好的生物相容性和可降解性，能够根据个体需求3D打印定制，未来还可以和药物复合，实现药物的缓释，为疾病治疗和组织缺损再生修复等提供个性化新方案。
摩擦纳米发电机3D打印一体成型
有没有想过未来动动手指就能给手机充电？有没有想过植入人体的医用元件永不断电还能在人体内自然降解……摩擦纳米发电机的发明给我们带来未来生活空间的无限畅想。但是目前摩擦纳米发电机通常需要各部分分别制备然后组装，较难构筑不规则形状，限制了其应用。在《3D打印一体定制弹性可持续的面向可穿戴电子设备的摩擦纳米发电机》一文中，游正伟教授团队和俞昊教授团队联合攻关，该工作电学性能测试与俞昊教授团队合作完成，基于热固性材料3D打印新技术，构筑了具有三维立体多孔结构的摩擦纳米发电机（3DP-TENG）。
该摩擦纳米发电机利用聚癸二酸甘油酯（PGS）为热固性弹性基材和一种摩擦材料，碳纳米管（CNTs）分散其中构成导电网络和另外一种摩擦材料。制备中以PGS预聚物、CNTs和盐粒为打印墨水，盐粒作为致孔剂获得的每一个微孔相当于一个摩擦纳米发电机。被挤压时，微孔上下管壁接触，PGS和CNTs发生电荷转移，外力撤去时，微孔恢复原状，电荷被分离在上下管壁的PGS和CNTs中，从而在CNTs与大地之间产生电势差，加上外导线就构成了电流，大量的微孔协同工作，因而获得了良好的摩擦发电效能。
该项研究实现了摩擦纳米发电机的3D打印一体成型，在可穿戴设备上具有广阔的应用前景。研究团队依人体工学打印了三维鞋垫，穿上步行时可以有效点亮LED灯和对电子表进行充电。而3D打印的“指环”状器件则可以根据输出的电信号，方便地监控手指的弯曲，感知弯曲的频率和角度。
（全生命周期环境友好型电子设备示意图）
还值得一提的是，此项研究工作中3D打印的摩擦纳米发电机是一个全生命周期环境友好型的电子设备。作为基体材料的聚癸二酸甘油酯是通过从蓖麻油中提炼的癸二酸和以天然油脂为原料制得的甘油缩聚而得，使用后可以完全降解，碳纳米管则可以方便地回收再利用，性能保持不变。而3D打印这种增材制作技术又使得原材料得到充分利用。“环境友好型材料是课题组一直以来坚定的研究方向，取之于自然，用之于社会，最终又回归到自然。”游正伟教授告诉记者，绿色环保的理念一直贯穿于课题组科研攻关的每一个关节，“创新”与“协作”是他反复跟学生强调的两大科研“秘籍”，要对标国际瞄准学科发展前沿做研究，更要“敞开门”协同合作发挥最强合力，如今课题组正朝着“功能高分子及智能材料”、“3D打印及生物医学应用”、“弹性电子及可穿戴设备”三大研究方向持续攻关，希望未来产出更多科研成果，用实验室不断迈进的一小步为科学发展和人类进步贡献一份力量。
游正伟教授（前排左四）课题组集体合照
论文链接：
1、《一种3D打印热固性材料的通用策略及其多样化应用》
https://pubs.rsc.org/ja/content/articlepdf/2019/mh/c8mh00937f
2、《3D打印一体定制弹性可持续的面向可穿戴电子设备的摩擦纳米发电机》
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201805108