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00008版:前沿

3D打印,有望告别“一次性”时代

  3D打印,在你的生活中无处不在。

  你的手机壳、键盘帽、让你看剧时解放双手的手机支架、你工位上的手办、书架上的微缩花瓶,可能都来自这项技术。只需要紫外光的照射,光敏树脂便能固化成型,从而成为你身边的小玩意。

  然而,当你手握它们站在垃圾桶前,也会意识到一个问题:它们似乎很难降解回收。

  最近,浙江大学化学工程与生物工程学院谢涛、郑宁研究团队或将提供解题答案。他们研发了一款动态可逆的3D打印树脂,可在成型后通过加热降解为原材料,成功实现变废为宝。4月11日,相关研究论文《通过解离网络设计实现高性能的循环光固化3D打印》在《科学》杂志上发表。

  “3D打印的塑料能不能变回原始的树脂,实现多次循环的打印?”12年前刚刚入职浙江大学的时候,这个疑问就在谢涛教授的脑中盘桓。彼时,材料回收难,既和其他塑料废弃物一样为环境增压,又制约着光固化3D打印技术未来的大规模应用。

  问题到底在哪呢?研究团队发现,突破口可能在打印材料本身。传统的光固化3D打印材料是一类光敏树脂,当它们在紫外光的照射下发生聚合时,形成了碳碳单键,它们非常稳定,难以解聚。

  乐高玩具给了团队启发。“既然积木上的凸点和孔让积木能够不断拆开重建,材料有没有可能像乐高一样反复拆建呢?”浙江大学化工学院研究员、论文共同通讯作者郑宁说。

  他们最终锁定了两种分子:散发香草味的芳香醛和硫醇。这对“黄金搭档”在紫外光下迅速“牵手”固化,加热后又默契“分手”回归液态,整个过程如同分子世界的“开关游戏”。这种动态可逆的“二硫代缩醛键”,成为材料循环再生的关键——它既能在光触发下构建精密结构,又能在热作用下无损降解,让塑料的“生命”无限续写。

  在论文中,研究团队提出了新的光固化3D打印树脂配方:带醛基的单体和带巯基的单体混合而成的打印原料,在光的“点击”下高效生成二硫代缩醛键,进而形成一个动态可逆可调的高分子网络结构。“高分子材料的主链对材料性能起主要作用。我们设计的动态网络系统中,主链是‘分布式’的,它给材料性能的调控提供了更多的自由度。”郑宁说,相比之下,传统3D打印往往通过侧链结构设计来调整材料的性能,自由度相对受限。

  “传统的方法类似于拉拉链,‘主链’结构调整难,而我们基于缩聚的动态网络聚合物更像是扣纽扣,纽扣中间的材料可以任意调节,因此可以对主链进行模块化调控。”谢涛说。为了展示这种网络聚合结构的优越性,研究团队用新型树脂打印了弹性体、结晶性聚合物以及刚性聚合物,它们兼具高机械性能与闭环回收特性。与现有可回收材料相比,新配方的材料表现出3-4倍的性能。谢涛认为,这一方案巧妙地解决了材料机械性能和闭环回收不可兼得的矛盾。

  我们可以大胆展望未来的3D打印生产线:不但是生产外观性能俱佳产品的“梦工厂”,更是没有废弃物、成本低廉、环境友好的“绿色工厂”。


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