基于盐状颗粒聚丙烯酰胺牺牲模具的3D打印技术实现多功能材料精准成型

本研究针对光固化3D打印材料受限的难题，创新性地开发了数字光处理(DLP)打印水溶性颗粒状聚丙烯酰胺(PAAm)牺牲模具平台。通过聚合诱导相分离(PIPS)形成具有本征微孔结构的盐状模具，在室温中性水中30分钟内即可完全溶解，打印速度达375 mm/h。该技术成功实现了对温度敏感的低熔点合金、碱降解性聚酯以及硅橡胶、聚氨酯等广泛材料的复杂结构成型，为多功能材料的高效精准制造提供了通用解决方案。

　　

在增材制造领域，数字光处理(DLP)3D打印技术虽然能实现复杂结构的高精度成型，但其材料选择被严格限制在具有光活性的树脂体系。这一局限性严重制约了该技术在功能性材料制造中的应用前景。传统间接3D打印方法虽能部分解决材料兼容性问题，但普遍存在模具去除条件苛刻（需高温或强酸强碱环境）、溶解速度慢等缺陷，难以满足温度敏感材料或酸碱敏感材料的加工需求。

针对这一技术瓶颈，研究人员开发了基于聚合诱导相分离(PIPS)原理的新型牺牲模具系统。通过巧妙设计丙烯酰胺(AAm)与N,N-二甲基甲酰胺(DMF)/水混合溶剂的配比，在DLP打印过程中实现了非交联颗粒状聚丙烯酰胺的精准成型。这种特殊结构赋予模具类似盐粒的快速溶解特性，同时保持了足够的机械强度以满足打印要求。

研究采用数字光处理(DLP)技术打印AAm50-DMF100配方树脂，通过汞侵入法测定孔隙率，凝胶渗透色谱(GPC)分析分子量分布，扫描电镜(SEM)观察微观形貌。系统考察了溶剂比例、分子量调控等因素对溶解速率的影响，并评估了不同材料（包括低熔点合金、聚己内酯(PCL)、聚烯烃弹性体(POE)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨酯(PU)）的成型效果。

研究结果显示，通过精确控制相分离程度，AAm50-DMF100配方形成了具有47.84%孔隙率的微孔结构，其溶解速率较传统方法提升7倍，室温下仅需23分钟即可完全溶解。分子量调控实验表明，添加0.5% 1-庚硫醇可使分子量从80 kg/mol降至42 kg/mol，进一步将溶解时间缩短至12分钟。表面氧抑制效应显著改善了液态树脂在固化表面的铺展性能，实现了375 mm/h的高速打印。

在应用验证方面，该技术展现出卓越的材料兼容性：成功制备了熔点47°C的Bi-In-Pb-Sn-Cd合金精密部件，避免了传统高温处理导致的模具热降解问题；实现了碱敏感材料聚己内酯(PCL)的完好成型；还完成了需要热固化的硅橡胶(PDMS)和聚氨酯(PU)复杂结构的制造。更有意义的是，利用模具的微孔特性，研究人员还开发出环氧树脂、聚氨酯、聚丙烯酸酯和氟碳树脂的三维多孔泡沫材料，拓展了该技术的应用维度。

这项发表于《Nature Communications》的研究突破了光固化3D打印的材料限制，建立了"打印-灌注-溶解"的通用制造平台。其创新性主要体现在三个方面：首先，通过PIPS原理实现了非交联聚合物的高精度DLP打印，创造了具有本征微孔结构的盐状模具；其次，利用氧抑制效应实现了超高速打印，显著提升了间接打印的整体效率；最后，温和的模具去除条件极大扩展了可加工材料的范围。该技术为功能性材料的复杂结构制造提供了新思路，在柔性电子、生物医疗、能源材料等领域具有广阔应用前景。特别值得注意的是，相比需要复杂化学修饰的传统方法，这种物理调控策略更易于规模化实施，有望推动3D打印技术从原型制造向实际生产应用的跨越。