弗吉尼亚理工大学研究员开发出3D打印乳胶的新颖工艺

乳胶，通常被用来制作成手套或涂料的材料，是指缠绕在分散在水中的纳米粒子内部的一组聚合物，一种长而重复的分子链。一种用于3D打印胶乳和其他类似橡胶材料的新方法称为弹性体，可用于各种应用，包括软机器人、医疗设备或减震器。

3D打印的乳胶在科学文献中只出现过几次。之前的例子中没有一个接近于由高分子创新研究所（MII）、科学学院和工程学院的跨学科团队打印的乳胶的机械性能。

通过在化学和机械工程学科上的创新，该团队克服了3D打印（也被称为增材制造）的一些长期局限性。研究人员对液态乳胶进行了化学改性，使其可打印，并制造了一个嵌入计算机视觉系统的定制3D打印机，以打印这种准确、高分辨率为特点的高性能材料。

“这个项目代表了典型的跨学科研究，”化学教授Timothy Long说。他和机械工程L.S. Randolph教授、MII临时主任Christopher Williams一起参与此项目研究。“如果没有另一个实验室，我们两个实验室都无法做到这一点。”

该项目是弗吉尼亚理工大学和米其林北美公司的联合合作项目，得到了国家科学基金奖与工业学术联络计划的资金支持。他们的初步研究结果的详细资料发表在ACS Applied Materials＆Interfaces杂志上。

新型材料的开发

经过未能成功地合成出能够提供理想分子量和机械性能的材料的尝试，研究小组中的五年级高分子科学与工程专业的学生Phil Scott转向了商业液态乳胶的研究。

研究人员最终希望以固体3D打印形式使用这种材料，但Scott认为首先需要增加化学成分以使其能够打印。他遇到了一个根本性的挑战：液态乳胶非常脆弱，化学成分很难改变。

与Scott合作的增材制造系统实验室的设计、研究和教育专业、机械工程博士学位五年级学生Viswanath Meenakshisundaram说：“胶乳处于液体状态。如果您添加任何东西，它将完全失去稳定性并崩溃。”

针对此挑战，化学家们提出了一个新的主意：如果Scott在乳胶颗粒周围建造一个类似于建筑结构的支架，将支架固定在原处，如何呢？这样，乳胶可以保持其良好的结构，Scott可以在乳胶中添加光引发剂和其他化合物，从而能够使用紫外线（UV）进行3D打印。”

Scott说：“在设计脚手架时，我们最大的担心是一切的稳定性。基于此，我们需要大量阅读相关书籍，甚至是学习胶体为什么稳定以及在胶体稳定性情况下如何工作的基础知识，但这是一个非常有趣的挑战。”

工程领域的新型加工开发

当Scott“修补”液态乳胶时，Meenakshisundaram必须弄清楚如何正确打印树脂。研究人员选择使用一种称为桶式光聚合的工艺，该打印机使用紫外线将粘性树脂固化或硬化为特定形状。

Meenakshisundaram需要一台能够在大面积上打印高分辨率特征的打印机，因此建造了一台新打印机。他和他的顾问Williams提出了在大面积上扫描紫外线的想法，并于2017年为该打印机申请了专利。

即使使用定制打印机，液体乳胶颗粒也会在乳胶树脂表面上投射的紫外光之外散射，从而导致打印不正确的零件，因此Meenakshisundaram提出了第二个新颖的想法。他将一台照相机嵌入打印机，以捕获每桶乳胶树脂的图像。借助他的自定义算法，该机器能够“看到”紫外线在树脂表面上的相互作用，然后自动调整打印参数以校正树脂散射，从而仅固化所需的形状。

Williams说：“大面积扫描打印机是我所拥有的一个新概念， Viswanath很快就将它变成了现实。然后， Viswanath提出了嵌入相机的想法，观察光与材料的相互作用，并根据他的代码更新打印参数。这就是我们所想要的合作伙伴：我们提供了一个愿景，他们实现了这一愿景，并超越了独立研究者的范围。”

Meenakshisundaram和Scott发现了他们最终的3D打印乳胶零件在被称为半互穿聚合物网络的基体中表现出强大的机械性能，而在现有文献中尚未有此记录。

Meenakshisundaram说：“相互渗透的聚合物网络就像在网中捉鱼一样。脚手架赋予了它一个形状。一旦将它放进烤箱，水就会蒸发，紧密缠绕的聚合物链会松弛、扩散或流动，并渗透到网中。”

分子制造方法

在材料开发和加工方面的新进展突显了这两个群体之间培育的跨学科环境。

Long和Williams都赞扬对方的专业知识，使集体研究突破成为可能。

“我的理念是，只有与与您截然不同的人合作时，才能实现这些类型的创新，” Long说。

两位教授表示，3D打印乳胶为从硬质塑料到软橡胶的一系列前所未有的材料的打印提供了概念框架，这些材料迄今为止一直无法打印。

Williams说：“当我是一名研究该技术的研究者时，我们很高兴能从可以制造的形状中获得独特的性能，但基本的假设是我们必须使用非常差的材料来做。与Tim小组一起进行的这项发现让我们非常兴奋，因为我们能够突破我们认为是打印材料性能极限的挑战。”

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