科学家设计出能让石英砂具备超强强度的新型聚合物

美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员设计出一种新型聚合物，它可以用于粘结和加固石英砂。据了解，这种可3D打印的聚合物能让石英砂的结构具有复杂的几何形状和特殊的强度--并且还能实现水溶性。

日前发表在《Nature Communication》上的这项研究展示了一座3D打印的砂桥。据悉，它在6.5厘米处可以承受300倍于自身重量的重量，这一壮举类似于12座帝国大厦坐在布鲁克林大桥上。

据了解，粘合剂喷射打印过程比工业界使用的其他3D打印方法更便宜、更快速，并且还能使其有可能从各种粉末状材料中创建3D结构，这使其在成本和可扩展性方面都占有优势。这一概念源于喷墨打印，但不是使用墨水，而是由打印头喷射出液体聚合物来结合粉末状材料并逐层建立起3D设计。结合的聚合物使打印的砂粒具有强度。

研究团队通过利用聚合物的专业知识定制了一种聚乙烯亚胺（或PEI）粘合剂，跟传统的粘合剂相比，它能让砂部件的强度提高一倍。

通过粘合剂喷射打印的部件在从打印床中取出时最初是多孔的。它们可以通过在设计中渗入一种叫做氰基丙烯酸酯的额外的超级胶水材料来加强，这种材料可以填补缝隙。这第二步在第一步的基础上带来了八倍的强度增加，这使得该聚合物砂粒复合材料比任何其他和任何已知的建筑材料都要更加坚硬。

“很少有聚合物适合作为这种应用的粘合剂。我们一直在寻找能给我们带来最佳效果的特殊性能如可溶性。我们的关键发现是在我们的PEI粘合剂的独特分子结构中，使其跟氰基丙烯酸酯发生反应以达到特殊的强度，”这项研究的首席研究员Tomonori Saito指出。

虽然使用用传统粘合剂形成的部件可以通过渗透材料变得更密实，但没有一个能达到接近PEI粘合剂的性能。PEI粘合剂令人印象深刻的强度源于聚合物在固化过程中跟氰基丙烯酸酯反应的方式。

超强度砂粒的一个潜在应用是推动复合材料制造的工具的发展。

石英砂是一种廉价的、容易获得的材料，人们在汽车和航空航天领域对制造复合材料部件表现得越来越有兴趣。轻质材料如碳纤维或玻璃纤维被包裹在3D打印的砂芯或“工具”中，然后通过加热固化。石英砂对于工具来说是有吸引力的，因为它在加热时不会改变尺寸且它在可清洗的工具方面具有独特的优势。在复合材料应用中，使用水溶性粘合剂来形成砂粒工具是非常重要的，因为它可以用自来水进行简单的冲洗步骤来去除砂并留下一个空心的复合材料形状。

田纳西大学布雷迪森中心的学生和该研究的论文第一作者Dustin Gilmer指出：“为了确保模具零件的准确性，你需要一种在加工过程中不改变形状的材料，这就是为什么石英砂一直很有前景。挑战一直是克服砂粒部件的结构弱点。”

目前的砂粒型铸造模具和型芯的工业用途还比较有限，因为商业方法施加的热量和压力可能会导致砂粒型零件在第一次尝试时就发生破裂或出现失败。研究人员需要更强大的砂粒型零件来支持大规模的制造并实现快速的零件生产。

Gilmer表示：“我们的高强度聚合物砂复合材料提升了可以用粘合剂喷射方法制造的零件的复杂性、实现了更复杂的几何形状并扩大了制造、工具和建筑的应用。”

据悉，这种新型粘结剂获得了2019年R&D 100 Award并已被行业合作伙伴ExOne授权用于研究。