유연성과 탄성이 결합된 탄성 소재는 자동차, 건설, 소비재 등 다양한 산업 분야에서 필수적입니다. 또한 미세 유체 공학, 소프트 로봇 공학, 웨어러블 및 의료 기기와 같은 신흥 분야에서 점점 더 매력적입니다. 그러나 충분한 기계적 강도를 갖는 것은 모든 응용 분야의 전제 조건입니다. 따라서 부드러움과 강함 사이의 겉보기에 모순되는 속성을 해결하는 것은 항상 영원한 추구였습니다.
천연 거미줄은 놀라운 강도를 갖고 있어 합성 부드러운 소재를 디자인하는 데 지속적인 영감을 제공합니다. 독특한 상부 구조는 복제하기 어렵지만, 층 구조를 설계하는 보다 일반적인 원리는 기계적 강도가 높은 탄성 재료를 설계하는 데 유용한 힌트를 제공합니다. 그러나 위의 설계 원리는 디지털광처리(DLP) 기반 3D 프린팅에 직접 적용할 수는 없다. DLP 인쇄에는 필요한 빠른 겔화를 달성하기 위해 빠른 광중합이 필요합니다. 따라서 광중합체 수지는 일반적으로 상당량의 다기능 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트를 함유하여 분자 설계의 자유를 심각하게 제한합니다. 또한, 급속한 응고는 고르지 못한 네트워크 형성과 잔류 응력으로 이어질 수 있으며, 이는 기계적 성능에도 해를 끼칩니다.
3D 프린팅의 대량 생산 가능성은 낮은 제조 효율성(프린팅 속도)과 부적절한 제품 품질(기계적 성능)로 인해 방해를 받습니다. 포토폴리머의 초고속 3D 프린팅 기술이 발전하면서 제조 효율성 문제가 완화되었지만, 프린팅된 폴리머의 일반적인 기계적 특성은 여전히 전통적인 가공 기술보다 훨씬 뒤떨어져 있습니다.
최근 절강대학교 화학공학 및 생명공학부의 Xie Tao 교수와 Wu Jingjun 부연구원 팀은 Nature에 "뛰어난 강도와 인성을 지닌 3D 프린팅 가능한 엘라스토머"라는 제목의 논문을 게재했습니다. 이 연구는 인장 강도가 94.6 MPa이고 인성이 310.4 MJ m-3인 엘라스토머를 생산하는 3D 사진 인쇄 수지 화학을 보고했는데, 이는 모든 3D 인쇄 엘라스토머를 훨씬 능가하는 것입니다. 기계적으로 말하면 이는 폴리머의 동적 공유 결합을 인쇄하여 네트워크 토폴로지 재구성을 허용하고 계층적 수소 결합(특히 아미드 수소 결합)의 형성을 촉진하고 미세상 분리 및 상호 침투 구조를 촉진함으로써 우수한 기계적 특성을 시너지적으로 촉진함으로써 달성됩니다. 이 작품은 3D 프린팅을 활용한 대규모 제조에 더 밝은 미래를 제공합니다.
그림 1: 3D 포토프린팅된 엘라스토머의 화학적 설계 © 2024 Springer Nature
그림 2. 엘라스토머의 기계적 특성과 강화 메커니즘 © 2024 Springer Nature
그림 3. 엘라스토머의 탄성 및 기계적 특성 © 2024 Springer Nature
그림 4: DLP로 프린팅한 강력하고 견고한 엘라스토머 © 2024 Springer Nature
이 작업에서 초강력 및 초강력 재료를 3D 프린팅할 수 있는 기능은 기사에 제시된 두 가지 예를 훨씬 뛰어넘어 극도로 가혹한 조건에서 사용 범위를 확장합니다. 또한 이 작업의 인쇄 전구체는 쉽게 사용할 수 있는 시약을 사용하여 간단한 단계로 합성되어 저렴한 비용을 보장합니다. 우수한 기계적 특성을 가진 폴리머를 설계하기 위한 다른 확립된 원칙이 있지만 빛 아래에서 빠른 젤, 인쇄 및 보관 중 충분한 용기 수명 등 사진 인쇄에 대한 엄격한 요구 사항으로 인해 이를 3D 인쇄에 직접 적용하는 것은 어렵습니다. 그럼에도 불구하고 이는 대체 고성능 3D 프린팅 재료의 향후 개발에 유용한 통찰력을 제공합니다. 전반적으로, 이 연구는 3D 프린팅이 기계적 성능을 반드시 저하시키지는 않는다는 점을 시사하며, 이는 향후 상업적 구현에 대한 주요 장애물을 제거합니다.
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