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研究团队 | 作者
酥鱼 | 编辑
3D打印代表着未来各项行业的核心技术需求。尤其是近年来，有各种3D打印金属和高分子材料的突破性进展，然而与之相比，3D打印碳材料以及相关技术及商业化发展面临着巨大的瓶颈和复杂的挑战。值得一提的是，碳材料在催化、能量存储、生物医学、高性能复合材料等领域拥有巨大应用价值和潜力。3D打印碳材料的瓶颈主要在于碳前驱体的材料一般比较昂贵，以及碳组件在加工碳化过程中的明显收缩导致最终产品的尺寸难以控制。这些长期存在的技术痛点也导致了3D打印多功能碳材料的商业运用和开发一直很受限。
最近，南密西西比大学的强哲教授团队与天普大学刘岭教授团队合作，成功地利用商用聚丙烯（PP））填料作为前体，实现了3D打印碳材料。这项技术成功直接解决了限制碳材料的收缩和成本问题，为3D打印碳材料的产业化铺平道路。相关研究于2024年1月29日发表在Nature Communication上。
文章截图
该项技术首先解决了3D打印碳前体的成本问题。低成本的商用聚丙烯复合材料作为前体，以及简易的工艺流程保证了商用大规模的生产。
作者采用熔丝制造（FFF）方法，将含有商用聚丙烯复材纤维进行打印，随后将打印出的样品在150℃条件下浸泡在强酸中进行交联。最后，样品在氮气环境中800℃下进行碳化。相较于之前传统的加工方法受限于高分子前驱体溶解度或高熔融温度，熔丝制造法拓展了前驱体的选择范围，使得设计复杂结构组件更加灵活。
本研究碳材料的制备过程 | 文章图片
同时，复合材料前驱体的使用保证了材料在经过交联化和碳化处理后只有4%的极低体积收缩率，首次实现了精准控制最终碳材料的三维结构，密度，力学性能。相较于纯PP衍生出的碳组件（体积收缩率约为20%）有了突破性的进步。此外，碳材料展现出极好的力学性能，强度重量比能达到9600：1，可回弹形变可达到惊人的50%。
3D打印碳具有极好的强度 | 文章图片
3D打印碳材料的可压缩性质 | 文章图片
生产过程中PP的未完全交联也为3D打印碳组件提供了独特的孔隙结构，该研究建立了交联时间与孔隙率，密度，机械性能之间的关系，在简单改变生产条件的情况下实现了精准控制衍生碳性质。同时研究也发现孔隙结构正是碳材料的弹性来源，给予了3D打印碳特有的“柔性“，孔洞也为碳材料提供了极其可观的比表面积，使其有更多的表面积与气体结合以达到吸附气体的效果，未来有望用于气体吸附领域。
经过碳化后未充分交联的区域留下孔洞 | 文章图片
此外这些由 PP-CF 长丝衍生出的3D 打印碳有出色的焦耳热效应。根据焦耳定律，在相同电流下，增加导体的电阻会导致更高的温度。与具有高导电性的金属和石墨相比，高电阻的无定形PP 衍生碳在焦耳加热能力方面具有显着优势。且碳在高温下性质稳定，这些特性使得3D打印碳为工业脱碳和低碳化供热提供了潜在的重要解决方案。
该技术已成功申请美国专利，相关团队正在积极推进技术产业化。该技术具有高度适应性和广泛适用性，可为下一代3D 功能碳材料的开发做出重大贡献。通过此技术生产的碳材料具备独特的力学性能且体积结构稳定可控，其轻质特性、可压缩和弹性机械行为以及高强度重量比可用于各种传感应用，包括软机器人的健康监测以及环境修复吸附和水净化，甚至作为能源产生和储存的材料。同时，聚丙烯交联衍生出的碳产物的多孔结构使得该技术有望应用于二氧化碳吸附，高电阻碳材料出色的焦耳热效应使其在电热领域具备高效率发热的潜力。这将为碳中和经济的推进提供重要推动力。
强哲教授
研究团队
（共同）通讯作者 强哲，南密西西比大学高分子系助理教授，博士生导师。本科毕业于东华大学，博士毕业于阿克伦大学，毕业后于西北大学从事博士后研究。主要研究领域为：3D打印，塑料回收和环境修复，功能性多孔材料，先进光学表征。2022年入选北美福布斯科学界30位30岁以下杰出人物， 2023年获得美国NSF CAREER award 并且当年入选35名35岁以下的杰出 AIChE (美国化工协会) 成员。
（共同）通讯作者 刘岭：天普大学机械工程系副教授，博士生导师。本科毕业于大连理工大学，博士毕业于哥伦比亚大学。主要研究领域为：先进材料的多尺度建模与仿真, 复合材料制备，以及机械学习方法。2018年获得NSF CAREER award。
第一作者 Paul Smith：南密西西比大学高分子科学与工程系博士生，本科毕业于西华盛顿大学。
论文信息
发布期刊 Nature Communications
发布时间2024年1月29日
文章标题 Accurate additive manufacturing of lightweight and elastic carbons using plastic precursors
（https://doi.org/10.1038/s41467-024-45211-4）