付加製造により予想外の成果が生まれる: 3D プリント可能な多機能超弾性シリコンゴムフォーム

出典: 高分子科学の最前線

一般的な付加製造方法である 3D プリントは、比類のない自由度を備えており、従来の複雑で高価な成形処理ルートを回避して、複雑な幾何学的形状を作成します。急速に発展している「型なし製造」プロセスは、ミクロスケールからマクロ構造を制御することができ、それによって材料の多くの未知の機能を発見することができます。

最近、米国ケース・ウェスタン・リザーブ大学高分子工学部のリゴベルト・C・アドビンクラ教授の研究グループは、新しい多機能3Dプリントソリューションを提案した。特別に配合されたポリジメチルシロキサン（PDMS）インクと塩浸漬法（塩を加えることで気孔形成剤として働き、より高い多孔度を生み出す）を使用して得られた3Dプリントシリコーンフォームは、3次元の多孔質構造と多次元の調整機能を備え、極めて高い圧縮性（自重の8万倍を超える圧力に複数回耐えられる）、超高サイクル耐久性（1,000回の圧縮後も塑性変形がほとんどない）、優れた伸縮性（最大伸びは210％に達する）、超疎水性（水接触角＞150°）など、これまでにない超高弾性を示す。さらに、その多機能性は、超吸収剤（油吸収能力1325％）や歪みセンサー（シリコンフォームの表面をカーボンナノチューブ（CNT）でコーティングすることによる）として実証されています。

この実験で開発された技術は、3Dプリントによる多孔質シリコーンゴムの製造を初めて実現し、調整可能な構造と優れた性能を備えました。設計された構造を簡単に印刷できる能力は、センサー、ソフトロボット、生体医学的材料など、既存のシリコンフォームアプリケーションに幅広い新しい機能とアプリケーションをもたらす可能性があります。

図 1. A) 3D プリンティングによる複雑な構造を持つ 3 次元多孔質シリコンエラストマーの作製。B ～ D) f#1 ～ f#3 の貯蔵弾性率 (G') と損失弾性率 (G'')。E) 3 種類の異なるインク配合に塩を加える前後の G' の変化。F) 3 種類の異なるインク配合に塩を加える前後の降伏応力 (τ) の変化。G) 作製したポリジメチルシロキサン (PDMS) インクで 3D プリントしたピラミッド。

図 2. A、B) PDMS フォーム内部の微細孔の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像。 (i-iii) それぞれ f#1、f#2、f#3 から準備されたサンプル。C) 3D プリントされたオブジェクトの階層的な多孔性の図解。左：マクロビュー。中央：マクロ孔のSEM画像。右: SEM による微細孔。D) 3D プリントで作製したタコ型、ピラミッド型、半球型、蝶型の PDMS フォームサンプル。E、F) 3 つの異なるギャップ (0、0.4、0.7 mm) で 3D プリントで作製した立方体型およびドッグボーン型の PDMS フォームのグリッド構造。

図 3。A) 3D プリントされたピラミッドは、激しい圧縮後も 90% 回復できます。BG) f#1、0.4 mm グリッドギャップからの PDMS フォームの複数の圧縮特性。B) さまざまなひずみ設定によるサイクリック圧縮テスト。C) 80% のひずみで 10 回の圧縮サイクルによるサイクリック耐久性テスト。挿入図は、ひずみ 0% (下) および 80% (上) における PDMS フォームの画像です。D) さまざまな圧縮率での周期的圧縮テスト。E) 60% のひずみで 1000 回の圧縮サイクルの周期的耐久性テスト。F) 80% のひずみで 10 回の圧縮サイクル後の最大応力と総ひずみ損失。G) 60% のひずみで 1000 回の圧縮サイクル後の最大応力と総ひずみ損失。

図 4. A) 3 つの異なるレシピから作成された 0.4 mm ギャップのメッシュの圧縮テスト。B) 左: f#1 からの 3 つの異なるギャップを持つドッグボーンメッシュの引張テスト。右: 引張試験前後の画像。C) さまざまな配合とメッシュギャップの圧縮弾性率と最大圧縮応力。D) さまざまな配合とメッシュギャップの引張弾性率と破壊ひずみ。E、F) f#1 (CNT 添加) と f#3 を使用して 3D プリントされたキュービックメッシュとドッグボーンメッシュ、および圧縮と引張のデモンストレーション画像。

図 5。A) 3D プリントされた PDMS フォームの表面の親水性と疎水性 (水は青、油は赤)。B) PDMS フォーム表面と水滴の接触角画像。C) 水中での PDMS フォームの選択的な油吸収を示す写真。D) 油を吸収した後の PDMS フォームの膨張。E) さまざまな配合とギャップによる PDMS フォームの油吸収。F) 3D プリントされたセンサーを圧縮したときの抵抗の変化。挿入図：圧縮時の光強度の変化（左）。 PDMS フォーム上の CNT の表面吸着 (右)。G) 80% ひずみで 10 回の圧縮サイクル後の抵抗変化。H) 3D プリントされたリングを曲げたときの抵抗変化。

全文リンク:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201900469

出典: 高分子科学の最前線

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