红外外场诱导动态交联聚氨酯（含Diels-Alder键）的高速烧结性能研究

针对高速烧结（HSS）技术中弹性体材料熔融固化速率慢、层间结合力弱的问题，研究人员通过合成含Diels-Alder动态键的聚氨酯（PUDA），实现了粉末快速熔融扩散与再交联。该材料使HSS成型件的拉伸强度（UTS）达8.1 MPa，断裂伸长率（EaB）达249%，烧结速率提升40%，为高粘度弹性体的高效增材制造提供了新策略。

　　

在增材制造领域，粉末床熔融（PBF）技术因其无需支撑结构、环保高效的特点备受关注，其中高速烧结（HSS）通过红外辐射与墨水打印结合，显著提升了打印效率。然而，传统热塑性聚氨酯（TPU）等高粘度弹性体在HSS中面临熔融固化速率慢、层间结合不充分等挑战，导致机械性能下降。针对这一瓶颈，中国科学院的研究团队创新性地将动态共价化学引入材料设计，开发出含Diels-Alder键（DA键）的聚氨酯共价适应网络（PUDA），通过动态键的可逆断裂与重组实现了材料的快速熔融-固化循环。

研究团队采用公斤级合成工艺制备PUDA粉末，通过红外光谱（IR）和差示扫描量热法（DSC）验证了DA键的热可逆特性。在HSS工艺中，红外加热触发DA键解离，使聚合物链快速松弛和扩散，解决了传统TPU因高熔体粘度导致的烧结缺陷。实验表明，PUDA成型件的拉伸强度（UTS）为8.1 MPa，较热压样品仅下降58%（传统TPU下降77%），断裂伸长率（EaB）达249%，同时烧结速率提升40%。此外，动态键赋予材料自修复和可回收性，经三次粉碎-重烧结后仍保持85%的原始强度。

主要技术方法
研究通过三步法合成PUDA预聚体：以聚己内酯二醇（PCL）、二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和DA二醇为原料，经扩链反应后与六亚甲基二异氰酸酯三聚体（tri-HDI）交联。采用球磨法制备粒径50-100 μm的粉末，通过HSS设备（配备红外灯和喷墨系统）优化层厚（0.1-0.3 mm）和能量输入（4-8 J/cm²）。力学性能测试参照ASTM D638标准，利用动态机械分析（DMA）和流变仪表征材料黏弹性。

研究结果

1. 材料合成与表征：FTIR显示3345 cm^-1处氨基甲酸酯键特征峰，DSC证实DA键在120°C解离、60°C重组。
2. 烧结性能优化：0.15 mm层厚与6 J/cm²能量输入下，PUDA孔隙率最低（<5%），尺寸偏差±0.2 mm。
3. 力学性能对比：HSS成型PUDA的UTS为热压样品的42%，而传统TPU仅23%，表明动态键显著改善层间融合。
4. 速率优势：PUDA单层烧结时间较TPU缩短40%，归因于DA键解离导致的黏度骤降（10⁴ Pa·s→10² Pa·s）。

结论与意义
该研究首次将动态共价网络应用于HSS技术，通过PUDA中DA键的可逆响应特性，突破了高粘度弹性体在快速烧结中的技术壁垒。材料兼具高效成型与优异力学性能，为鞋材、柔性电子等领域的批量生产提供了新方案。论文发表于《Polymer》，通讯作者Zhanhua Wang指出，该策略可拓展至其他动态化学体系（如二硫键、三唑二酮），为功能性弹性体的增材制造开辟了道路。