新工艺将3D打印过程中的液体直接整合到材料中

如果您认为使用诸如塑料之类的坚硬材料进行3D打印可能会比较困难，请等到尝试使用液体进行3D打印时，这听起来更加困难。来自德国马丁·路德大学Halle-Wittenberg（MLU）的两位化学家Harald Rupp和Wolfgang H. Binder共同创造了一种新的组合3D打印工艺，该工艺将液体在打印时直接整合到材料中。

在欧盟的Horizo​​n 2020计划，德国研究基金会（DFG）和Leistungszentrum“系统和生物技术”的支持下，Rupp和Binder发表了一项名为“核-壳胶囊复合材料的3D打印以用于反应后和破坏的研究”。感应应用，”中先进材料技术。

大多数时候，我们看到当液体成分成为3D打印成品的一部分时，它们会在以后添加，这既昂贵又耗时。但是，两位化学家将更为普遍的FDM 3D打印方法与通常用于喷墨打印的工艺相结合，以将液体整合到材料中。这对于多种应用可能非常有用，例如将可以被人体缓慢分解的活性药物混入药物产品中以防止术后炎症，或者将发光液体整合到材料中以进行损伤监测。

LR：在3D打印材料内部，晶格结构包含添加的液体。

“未来在于结合多个生产步骤的更复杂的方法。这就是为什么我们一直在寻找在印刷过程中将液体直接整合到材料中的原因。” MLU化学研究所的Binder教授解释说。

根据这项研究，使用3D打印多组分材料而不是使用传统的压铸技术可能是“有利的”。化学家使用两个打印头系统（FDM建模挤出机和液体喷墨头）在挤出过程中在选定位置逐滴添加液体。这样就可以“有针对性地”将液体直接整合到第一种材料中，并且两位研究人员能够印刷100至800 µm尺寸的微小核壳胶囊。

“本文报道了一种通过将不同的3D打印技术和复合打印相结合的方法，将微型胶囊3D打印到热塑性聚合物基质中的新方法。该方法旨在生成基于多隔室结构的高功能复合材料，将可生物降解的聚合物（PCL）与纳米胶囊和微米级填充物混合，同时在打印过程中创建微型胶囊并用疏水性液体填充。” “在FDM过程中产生的空隙空间是使用单独的液体分配器填充到液体中的，该液体分配器放置在同一3D打印系统中。

基于此方法，可以实现优于以前的常规铸模方法的已知基于胶囊的自修复复合材料的3D打印。[ 17 ] 使用3D打印系统的特殊挑战是使用两种反应性组分，它们都嵌入到包含固体催化剂的热塑性聚合物中，这又会导致外部触发的交联化学反应，从而实现自修复材料的设计。与传统的封装方法（例如原位聚合，[ 18 ] 界面聚合，[ 19 ] 溶胶-凝胶法，[ 20 ] 或溶剂蒸发乳液）[ 21 ]相比，我们在这里直接使用3D打印来分配在FDM打印过程中，液体在固体基质中。”

通过两步打印过程开发核壳胶囊系统。该结构是在CAD程序中设计的，创建了具有紧密连接的聚合物股线的完全封闭的基础层和顶层，以及具有可调大小的空隙的内部网格结构。在FDM工艺中，首先印刷基础层，然后将聚合物网格沉积在顶部。通过第二个印刷头将微囊孔注满油，最后再次用FDM处理的顶层将其封闭。该工艺适用于组分I和II的反应体系，能够在3D打印后以CuI催化的“点击”反应进行反应。如果另外包含组分III，则该材料通过“点击”反应产生的荧光染料报告“点击”反应性。

他们选择热塑性聚合物聚（ε-己内酯）或PCL作为基质和外壳材料，因为它与嵌入的疏水性（拒水）液体具有良好的相互作用。化学家通过两个例子展示了他们的新方法，其中第一个涉及将活性液体物质整合到可生物降解的PCL中。

活页夹解释说：“我们能够证明活性成分不受印刷过程的影响并保持活性。”

他们的第二个例子是将发光液体集成到塑料中。当第二种材料损坏时，液体会泄漏出来，因此您可以看到损坏的位置。这对于经常承受很大压力的飞机和汽车零件特别有用。

宾德说：“您可以将这样的东西印在产品的一小部分上，该产品要承受特别高的压力。”

a）印刷的顶层（5×5 mm）的显微图像，以包围核-壳胶囊系统，b）形成胶囊系统的内部网格结构，以及c）间隙从100到800 µm的不同网格尺寸。d）一个胶囊空隙，e）顶层和f）在打印过程中复合材料10不同层以及压缩/损坏的样品的SEM图像。g）以荧光素饱和法呢醇溶液作为胶囊填充物的印刷核-壳胶囊系统的扩散测试。通过荧光测量分析溶液在乙醇中的释放。

化学家们还说，一旦这项技术得到进一步发展，他们新颖的组合工艺可用于印刷电池部件。

“将这种类型的印刷技术应用于电化学装置（例如电极，离子凝胶），复杂的微流体系统的产生以及新颖的太阳能电池系统（直接印刷薄膜的系统）的可能性很大。他们得出结论。

“许多不同成分的可比调节避免了对每种墨水成分进行单独流变学调节的需要，因此希望在材料科学领域开辟广阔的应用范围。”