高强无添加超快固化3D打印封闭型聚氨酯弹性体的创新设计与应用

研究人员针对传统封闭型聚氨酯(BPU)弹性体固化速率慢、难以满足3D打印需求的问题，通过反应活性优化设计开发了无添加超快固化UBPU体系，其凝胶时间仅3.15分钟，较传统体系提升28.6倍。创新提出的渐进固化挤出打印(PCEEP)技术通过加速封闭剂(BH)蒸发实现打印结构的快速稳定，使打印件拉伸强度较浇铸成型提升2倍，为高性能热固性聚氨酯(TSPU)的先进3D打印提供了新策略。

　　

在航空航天、汽车制造和医疗健康等领域，聚氨酯(PU)弹性体因其优异的力学性能和可调性备受青睐。然而传统热固性聚氨酯(TSPU)在3D打印中面临巨大挑战——其不可逆的固化特性导致打印与固化过程难以同步，而单组分封闭型聚氨酯(BPU)虽具有环境友好、储存稳定等优势，却受限于极慢的固化速率。现有解决方案多依赖添加光固化树脂、流变调节剂等辅助成分，不仅增加配方复杂性，还可能损害材料本征性能。

针对这一技术瓶颈，大连理工大学团队在《Materials Characterization》发表创新研究。研究人员首先通过分子设计合成基于对苯二异氰酸酯(PPDI)和聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)的封闭型预聚物(BPUP)，选用具有吸电子效应的三氯乙醇(TCE)作为封闭剂(BH)，结合催化剂T-9和扩链剂4,4'-二氨基二苯甲烷(MDA)构建超快固化UBPU体系。通过热重分析、流变测试等方法系统研究了催化剂含量、扩链系数等参数对解封闭特性和凝胶时间的影响规律。

关键实验技术包括：1）采用同步差热分析测定解封闭温度T_C1和失重速率V_C1；2）通过旋转流变仪在110-148℃范围内表征粘度演变；3）开发渐进固化挤出打印(PCEEP)系统，集成多区温控螺杆挤出装置；4）按ISO标准测试打印与浇铸试样的力学性能差异。

研究结果显示，TCE封端的BPUP05展现出最低解封闭温度（162.20℃）和最高失重速率（0.1207%/℃）。当T-9含量增至1.50wt%时，UBPU07在148℃下凝胶时间仅3.15分钟，较传统BPU提升28.6倍。流变分析揭示该体系具有显著剪切稀化特性，在3.74s^-1剪切速率下粘度骤降，利于挤出成型。创新的PCEEP工艺通过"薄层/高温"协同机制促进BH蒸发，使打印件拉伸强度达20.37MPa，较浇铸件提升2倍。

研究人员成功打印出壁厚1.9mm的密封水桶等复杂结构，30分钟注水测试无渗漏，证实了优异的层间结合质量。该研究通过无添加策略突破BPU慢固化瓶颈，提出的"解封闭-固化"协同加速机制为高性能TSPU的3D打印提供了新思路。未来工作将聚焦于蒸发动力学定量模型构建和医疗级原料开发，进一步拓展其在精密制造和生物医学领域的应用前景。