研究人員3D列印具有可調特性的超彈性泡沫，以用於鞋類和汽車座椅

最近，克利夫蘭開普西儲大學的一個研究小組開發出了一組3D列印材料，這些材料可能有很多有用的應用。該項目是由Rigoberto Advincula教授與高分子科學與工程系的Qiqi Chen和Peng-Fei Cao共同完成的。他們的研究在一篇名為「Mechanically Robust, Ultraelastic Hierarchical Foam with Tunable Properties via 3D Printing」的論文中進行了詳細介紹，並發表在Advanced Functional Materials雜誌上。該團隊使用粘性溶液列印（VSP）3D列印技術（也稱為直接墨水寫入（DIW））製造超彈性泡沫。

使用數字3D模型的直接列印功能可以高精度地生成複雜的結構，使工程師能夠在微觀和宏觀尺度上對孔隙度進行大量控制。該研究使用聚氨酯（一種常見的塑料材料）進行。3D列印可以使材料的結構在不同的層面上得到控制，從而使其具有多孔性，並顯著改善所需性能。與模製或鑄造方法相比，3D列印在泡沫的最終結構方面提供了更高水平的複雜性。

VSP 3D列印技術利用注射器，將粘性油墨材料擠出到構建板上，設置就位，以便逐層創建3D結構。這種3D列印技術比常規的FDM擠出方法更具優勢，因為它可以用更多種類的材料進行列印。這些材料包括金屬、水凝膠、氣凝膠，以及陶瓷和熱塑性塑料。

在3D列印技術中使用的油墨是觸變性材料，這意味著它不流暢，並且在外部應力下可變形。這些油墨通過簡單的一鍋法製備，其中將二重納米顆粒（納米粘土和二氧化硅納米顆粒）分散在聚氨酯懸浮液中。

精確控制油墨的粘度，以及注射器的設計、列印參數和3D設計本身，都可以對最終3D列印結構進行高度控制。熱塑性聚氨酯（TPU）是用分級多孔結構製造的。在宏觀尺度上，通過將它們放置在最初的3D設計中，在結構中製造更大尺寸的孔。在下一級時，當物體浸入水中時，通過印後相分離過程產生大的微孔。通過化學蝕刻產生最小的微孔。

得到的TPU泡沫結構重量輕，並且表現出良好的機械強度。它們還擁有前所未有的彈性，超過1000次的壓縮循環，以及卓越的堅固性，在超過其自身重量20,000倍的負載之後迅速完全恢復。

超彈性泡沫的機械性能可以根據它們的應用進行調整。他們的導電性能也是如此。作為演示，將由泡沫製成的小海綿浸入碳納米管（CNT）在水中的溶液中。由於van de Waal的強大力量，碳納米管緊緊抓住TPU泡沫的表面。乾燥後，將泡沫貼在電路板上並用作高靈敏的電阻式電阻率感測器。這實際上是一個彈性電源開關，可以將其壓縮以打開或關閉電路。

除了柔性電子設備外，這種3D可列印TPU泡沫還可用於改善聚氨酯的許多其他現有應用，包括鞋類（如New Balance的3D列印鞋子）、汽車座椅、包裝和組織工程腳手架。油墨混合物也可以改變，以獲得與聚氨酯以外的塑料類似的效果。

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