卡尔斯鲁厄理工学院王义亮和 Willenbacher教授 AM：一种高分辨率软硅胶微结构的快速墨水直写3D打印技术

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软硅胶具有优异的柔韧性、回弹性、生物相容性、化学及热稳定性，在软体机器人、柔性电子、仿生器件及可植入医用设备等领域应用广泛。然而，其固有的粘弹性和低模量使得对软硅胶材料的高精度3D打印难以实现。考虑到光敏基团潜在的生物危害性和对软硅胶复合材料增材制造的迫切性，探索软硅胶材料的新型3D打印技术意义重大。

近期卡尔斯鲁厄理工学院王义亮和Norbert Willenbacher教授提出了一种高分辨率软硅胶微结构的快速墨水直写3D打印技术（HOT-DIW）。通过在液体硅胶中构建二氧化硅纳米颗粒和石蜡微米颗粒双网络结构，提高了打印墨水的模量和屈服强度，同时赋予了其良好的温度敏感性。当墨水通过高温打印头时，内部石蜡发生固-液相变导致颗粒网络结构遭到破坏，降低了粘度、模量及屈服强度，使得墨水更易流动和挤出。打印完成后，在较低的室温环境中，石蜡发生液-固相变使得内部颗粒网络结构重新形成，墨水的流变性能得到恢复，确保了高分辨率打印结构的稳定。

图1 高分辨率软硅胶结构的快速墨水直写3D打印

通过控制自研HOT-DIW直写打印系统的压力（P）、打印速度（V_s）及打印头温度（T）即可实现对墨水挤出的精确定位和痕量控制。在特定条件下（45 °C, 80 bar, 100 μm针头）,该系统最高可实现3100 mm min^-1的高速打印。此外，该技术获得的打印丝直径最低仅为50 um，是目前软硅胶材料直写3D打印分辨率的最高记录。

图2 高分辨率3D打印软硅胶结构及其表面功能化

HOT-DIW策略获得的软硅胶结构非常容易实现表面功能化，同时硅胶内部石蜡可以通过简单的溶剂处理去除。该技术可用于构建微型柔性电子器件，例如，经碳纳米管表面功能化的3D打印网格可作为柔性压力传感器的传感层。得益于多层网格结构的高分辨率，超薄传感器具有很高的灵敏度（57.5 kPa^-1）和很宽的检测范围（30 Pa-500 KPa）。

图3 高分辨率3D打印软硅胶结构用于构筑高性能柔性压力传感器

此外，软硅胶三维结构的高分辨率也可以提升超疏水表面和仿生器件的性能，比如，经碳纳米管沉积的3D打印网格结构可作透气超疏水器件，实现了水滴的快速收集和运输；得益于高精度的3D打印沟道结构和所含的石蜡及碳纳米管，仿生水稻叶片具有非常优异的超疏水性能、定向水运输能力及形状记忆性能。

总而言之，他们提出的软硅胶材料打印策略在智能仿生器件、软体机器人和柔性电子等领域潜力巨大。

图4 高分辨率3D打印软硅胶结构在仿生及超疏水领域的应用

研究成果近期以“Phase-change enabled, rapid, high-resolution direct ink writing of soft silicone”为标题发表在学术期刊Advanced Materials上。文章第一作者兼通讯作者为卡尔斯鲁厄理工学院博士后王义亮，共同通讯作者为Norbert Willenbacher教授。该研究得到卡尔斯鲁厄理工学院、清华大学、德国亥姆霍兹学会和中国博士后管委办公室的资助与支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202109240

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