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聚氨酯彈性體是一類具有優(yōu)異機械性能的高分子材料，其獨特的軟段結構提供了良好的彈性和柔韌性，而硬段結構則賦予了其高的強度和耐磨性。這種相分離結構使性能各異的聚氨酯彈性體在汽車、醫(yī)療、電子和紡織等領域得到了廣泛應用。然而，傳統(tǒng)的聚氨酯彈性體加工方法，如注塑和澆注，通常需要較高的溫度和壓力，且模具制造復雜、成本高。而光固化3D打印技術(Vat Photopolymerization 3D Printing)具有快速成型、高精度和復雜結構制造能力，使之成為制造聚氨酯彈性體的理想方法。
近日，中國科學院蘭州化學物理研究所潤滑材料重點實驗室3D打印摩擦器件組在光固化3D打印高性能聚氨酯彈性體研究方面取得重要進展。研究人員通過調(diào)控光敏聚氨酯預聚物的化學結構發(fā)展了具有優(yōu)異光固化3D打印成形能力的高性能聚氨酯彈性體材料，構筑了機械承載穩(wěn)定性的生物醫(yī)用支架和具有仿生雙梯度結構的阻尼減振、消音降噪等概念性功能器件。
研究人員通過在聚氨酯前驅體中引入了脲基和酯基，發(fā)展了多重氫鍵誘導的可快速光固化3D打印的超分子聚氨酯彈性體，獲得的彈性體具有優(yōu)異的高彈性、高強度、韌性以及良好的生物相容性和血液相容性。具有高精度光固化3D打印性能的聚氨酯彈性體綜合了高性能與快速結構制造方面的優(yōu)勢，為具有優(yōu)異抗壓縮承載能力和機械穩(wěn)定性等特性的復雜柔性結構生物醫(yī)療器械的制造提供了新的材料技術方案。
另外，受向日葵髓雙梯度結構啟發(fā)，研究人員采用光固化3D打印聚氨酯彈性體設計構筑了具有孔徑和壁厚雙梯度變量的仿生雙梯度結構聚氨酯。這種仿生雙梯度結構聚氨酯具有選擇性的抗屈曲性以及各向異性的機械性能和耗散行為，有效提升了其比強度、能量吸收和抗撕裂性特性，解決了傳統(tǒng)多孔泡沫材料性能調(diào)控難、功能單一等問題，在阻尼緩沖減振和消音降噪等領域具有很好的應用潛景。
上述研究豐富了高性能光固化3D打印聚氨酯彈性體材料的種類及其在功能結構器件定制化制造方面的應用探索，為其在生物醫(yī)療、柔性電子、摩擦密封等領域的應用拓展提供了材料和技術基礎。
相關研究成果分別以“Multiple H-bonds Induced Mechanically Robust Vat Photopolymerization 3D Printing Poly(urethane-urea) Elastomers”和“Sunflower Pith Inspired Dual-Gradient Cellular Polyurethane Architecture with Amplified Mechanical Functions”為題發(fā)表在Materials Horizons(Materials Horizons，2024，https：//doi.org/10.1039/D4MH01191K)和Chemical Engineering Journal(Chemical Engineering Journal，2024，500，156740)上。石河子大學聯(lián)培博士生楊星星和中國科學院大學博士生白常成分別為論文第一作者，蘭州化物所劉德勝助理研究員和王曉龍研究員為共同通訊作者。
上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院“西部之光”創(chuàng)新團隊、中國科學院特別研究助理資助項目、蘭州化物所重點培育項目和甘肅省科技計劃等項目的支持。
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