美国ASU宋克男教授团队ACS Appl. Nano Mater.综述：从纳米至宏观尺度的形态基于纤维纺丝技术的墨水直写3D打印

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摘要

一维纤维一直是纺织品和织物的基石。然而，由于设计、制造、性能优化、工具工程和制造可扩展性等内在特征，3D 打印的快速发展最近对纤维纺纱和纺织工程的概念提出了挑战。基于 DIW 的 3D 打印与纤维纺丝有许多相似之处，即与多材料复合材料或混合材料的高兼容性、低粘度液体可加工性以及与应用驱动结构的灵活性。此外，DIW 方法由于其用户友好和直接的挤出特性而具有卓越的技术可转移性，使其成为用于制造 1D 纤维、2D 表面顺序和 3D 层的最具成本效益和低占地面积的制造技术之一。

美国亚利桑那州立大学宋克男教授以及Advanced Materials Advanced Manufacturing Laboratory (AMAML) 就以纤维纺丝技术为基础的墨水直写(Direct ink writing)3D打印进行了在纳米尺度，微米尺度，和宏观尺度的形态总结与未来展望，并且在ACS Applied Nano Materials上面发表了综述文章：Review of Fiber-Based Three-Dimensional Printing for Applications Ranging from Nanoscale Nanoparticle Alignment to Macroscale Patterning (DOI: 10.1021/acsanm.1c01408)。对于传统纺丝技术（fiber spinning）, 后期纺织步骤大多局限于二维织物结构。结合3D打印技术可以得到不同的2D以及3D结构（图1）。

材料在纳米级的排列对于宏观的的异性特质极其重要。在一般纺丝过程中，剪应力造成的纳米颗粒，聚合物链，以及空隙的排列分别在力学性能，执行器应用，电子器件，以及热学材料中起到了显著的作用。基于相同的挤压原理，此类纳米材料的形态控制同样适用于墨水直写的过程中。其次，溶液的固化方法在纺丝技术中已经非常成熟。非溶剂致相分离（NIPS）技术，流变改性剂的应用，紫外线固化方法，以及支持液的使用等都在墨水直写过程中得到了充分的利用。

在微观尺度，通过制造工艺的不断提升，一维纤维的结构和形态也由传统的同质体系不断演变成多材料多相结构，例如同轴，并排，多孔，分段等结构（图3）。3D 打印技术同样也促使了这一变化，例如金属选择性激光烧结（SLS），立体平版印刷术（SLA），以及多点喷射 （MultiJet）为基础的喷丝头和挤出喷嘴（图4）。

在宏观尺度，3D打印平台上的XYZ线性平台可以实现对纺纱参数的更高程度的控制，包括挤出速度、打印头移动速度、固化时间、和气隙距离。此外，与设备功能和属性完全取决于材料部分的传统制造技术不同，DIW 允许对打印图案、方向、分辨率和速度进行独立控制，从而开辟了新的基于图案的功能（图5，图6）。

 图1为文章结构。(a). 纤维纺丝与墨水直写关系,(b)不同结构以及材料的一纤维在二维和三维空间内的排列。

图2为在墨水直写过程中纳米颗粒，聚合物链，空袭的排列。

图3.微观尺度下纤维的多样性。

图4. 3D打印技术在纤维以及墨水直写中的应用。

图5. 墨水直写二维图案。

图6. 墨水直写三维材料。

作者简介

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亚利桑那大学宋克男教授团队专注于可1D高分子材料，2D 图层，和3D打印技术。现在博士职位(研究助理) 空缺（2021 一名，2022年一名，2023年一名）。有意者可见课题组网站：

Advanced Materials Advanced Manufacturing Laboratory (AMAML) 网站：https://sites.google.com/site/kenansonglab/home

职位要求Ph.D Candidate Requirements and Positions: Students with background of Mechanical Engineering, Manufacturing Engineering, Mechanics, Chemical Engineering, or, Materials Science especially Polymer Science and Engineering, are strongly encouraged to contact the PI for the following openings. Candidates are expected to be self-motivated, team-oriented, and rich in hands-on experience, including but not limited to:

mechanical design of experimental set-up,

manufacturing at nano-micro-macro scale, and,

test of material physical and chemical properties (i.e., mechanical, thermal, electrical, optical, morphological, topographical, rheological, tribological, surfacial and interfacial interactions) and usage of scientific tools (i.e., DMA, DSC, TGA, UV-Vis, SEM, TEM, AFM, triboindenter, rheometer, goniometer, tensiometer, profilometer, FTIR, Raman, WAXD, SAXS, SANS), as well as,

expertise in modeling/simulation tools (i.e., Finite Element Method using ANSYS/ABAQUS/COMSOL, Molecular Dynamics using MATLAB/LAMMPS)

相关链接

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsanm.1c01408

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