中科院兰州化物所光固化3D打印聚氨酯弹性体研究获新进展

光固化3D打印聚氨酯弹性体因兼具弹性材料的优异柔韧性与3D打印的复杂结构高精度成形优势，在柔性电子、生物医疗器械和软体机器人等领域具有重要应用潜能。但是，如何在实现快速光固化成形的同时，构筑具有动态可逆作用的弹性体网络，从而实现力学性能与耐久性的协同提升，仍然是当前高性能3D打印弹性体材料发展的关键挑战。

近日，中国科学院兰州化学物理研究所润滑材料全国重点实验室3D打印摩擦器件团队提出了一种“化学交联网络—动态超分子网络”协同增强策略，构筑了兼具高强韧性能与优异打印性能的光固化聚氨酯弹性体（图1）。该策略通过化学交联网络保障结构稳定性，通过引入能够形成自互补四重氢键的UPy基元以借助其动态超分子相互作用促进分子链重排和能量耗散，优化结果显示，该方法打印制备的聚氨酯弹性体拉伸强度达26.84 MPa，韧性达38.60 MJ·m-3，杨氏模量达34.41 MPa，磨损率低至3.62×10-6mm3·N-1·m-1，实现了材料强度、韧性及耐磨性能的协同提升。

图1. 3D打印聚氨酯弹性体分子结构设计

研究结果表明UPy形成二聚体后，分子间结合能为−51.87 kcal/mol，表明二聚后形成了显著增强的协同氢键作用，有效提高了超分子弹性体内部的氢键密度，增强了网络结构稳定性。SAXS结果表明，随着UPy含量提高，硬段聚集程度增强并形成更加明显的微相分离结构，因此材料性能提升并非简单来源于硬段含量增加，而是硬相聚集与动态四重氢键协同作用的结果。

图2. 3D打印聚氨酯弹性体的力学性能增韧机制

此外，结合循环拉伸、原位SAXS、FTIR及撕裂实验结果表明，随着拉伸应变增加，弹性体材料的滞后环逐渐增大，表明材料具有明显的应变依赖型能量耗散能力（图2）。在较低应变下，结合能较低的普通氢键优先解离；随着应变进一步提高，更强的UPy四重氢键逐步发生解离和重组，从而形成层级耗能机制。卸载后，解离的氢键能够重新缔合，使网络结构逐渐恢复。

该研究通过UPy动态四重氢键、共价光交联网络以及微相分离结构的协同设计，研究揭示了UPy超分子作用对3D打印聚氨酯弹性体的结构增强与能量耗散机制，有效解决了光固化弹性体强度、韧性与耐磨性能难以兼顾的矛盾，为3D打印高性能弹性体材料的设计与制备提供了新思路。

上述研究成果以“Mechanically Robust and Wear-Resistant 3D-Printable Polyurethane Elastomers through UPy-Based Supramolecular Reinforcement”为题发表在Aggregate上，石河子大学联合培养博士研究生杨星星和新加坡国立大学刘德胜博士为论文共同第一作者，兰州化物所王晓龙研究员为论文通讯作者。兰州化物所为该论文第一完成单位。

上述研究工作得到了国家重点研发计划，中国科学院战略性先导研究计划，中国科学院特别研究助理和兰州化物所基础研究特区等项目的支持。