《Polymers》：Direct Ink Writing 3D Printing of Anisotropic Superhydrophobic/Superelastic Porous Silicone Rubber for Recyclable Dichloromethane Absorption
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特殊润湿性在生物表面通常源于分级微结构与表面化学的协同作用，为仿生超疏水材料提供启示。然而，传统制备策略常涉及复杂工序或昂贵模具，难以精确构建有序微结构。研究人员采用直接墨水书写（Direct Ink Writing，DIW）3D打印技术，以聚二甲基硅氧烷（P
特殊润湿性在生物表面通常源于分级微结构与表面化学的协同作用，为仿生超疏水材料提供启示。然而，传统制备策略常涉及复杂工序或昂贵模具，难以精确构建有序微结构。研究人员采用直接墨水书写（Direct Ink Writing，DIW）3D打印技术，以聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）为基体，制备兼具各向异性表面润湿（Anisotropic Surface Wettability，ASW）、超疏水性、超弹性与二氯甲烷（Dichloromethane，DCM）吸收性能的多孔硅橡胶。通过调控打印速度、气压与喷嘴角度，构建具有明确各向异性微结构的有序多孔材料。所得材料在X方向呈现高接触角与超疏水状态，在Y方向接触角明显降低，表现出显著各向异性润湿行为；材料在大压缩应变下保持结构完整，卸载后快速恢复，经1000次拉伸与压缩循环后仅出现轻微强度衰减，展现优异超弹性与低能量耗散。在DCM吸收方面，DIW样品在30 min内即实现快速 uptake，优于传统热压PDMS，而平衡吸附量二者相当；循环吸收过程中表现良好稳定性，并在污染体系与不同温度条件下维持可靠吸收性能。该研究为通过3D打印构建多功能智能多孔弹性体提供新策略，在DCM–水分离、防水透气材料及多孔生物医学材料方面具有应用前景。
研究背景与问题提出
自然界中，莲叶、稻叶与蝶翼等生物表面通过分级微结构与低表面能化学组分的协同，呈现出超疏水与各向异性润湿（Anisotropic Surface Wettability，ASW，即液体在不同方向上铺展与滚动行为存在差异）等特殊润湿性。受此启发，构建人工功能弹性体在有机污染物–水分离、防水透气、柔性传感与生物医学领域具重要价值。聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）因低表面能、高弹性、化学稳定与生物相容性，成为理想基体；但传统压缩成型、化学发泡与模板法依赖复杂模具，难以在微纳尺度精准调控孔隙构型，导致润湿性与力学承载难以协同优化。增材制造（Additive Manufacturing，AM）中的直接墨水书写（Direct Ink Writing，DIW，一种基于挤出沉积路径编程的无模3D打印技术）可借助打印路径设计，在亚毫米尺度有序构建孔道、沟槽与层间取向，为多功能硅橡胶提供新思路。已有研究虽在润湿性几何调控与超弹性吸油材料上取得进展，但将ASW、超弹性与可循环污染物吸收集成于单一3D打印多孔硅橡胶体系仍鲜见报道。
研究人员据此开展研究，以PDMS为墨水体系，通过DIW参数优化制备四层有序网格多孔硅橡胶，系统表征其结构、润湿、力学与二氯甲烷（Dichloromethane，DCM）吸收行为，证实该材料可同时实现各向异性超疏水、超弹性恢复与快速可循环DCM回收，并为防水、分离与生物医学多孔膜设计提供实验依据。
主要关键技术方法
研究人员采用自构建三轴DIW打印平台，以PDMS（SE 1700）与固化剂按10:1混合并引入少量3-丁炔-1-醇调控流变，经脱泡后获得可打印墨水；通过系统变量扫描优化打印速度、气动压力与喷嘴垂直角度，确定单层丝径约400 μm、层高0.4 mm、丝间距0.8 mm的四层正交网格结构，热固化后获得有序各向异性多孔样品，并以热压致密PDMS作对照。表征方面结合光学显微与扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）分析孔道形貌，利用接触角测量仪获取X/Y方向水接触角（Water Contact Angle，WCA）与滚动角，借助万能试验机进行拉伸、循环拉伸及压缩–恢复疲劳测试，并通过质量法测定不同时间、温度、污染体系与DCM–水混合体系下的吸收容量与循环再生表现。
研究结果
3.1 打印工艺优化
3.1.1 打印速度与丝径关系
研究人员通过光学显微统计不同速度下挤出丝径（Filament Diameter，FD）发现，速度过低导致拐角堆积、孔隙被填，1.5–2.7 mm/s区间成形规整，速度过高则断丝；FD随速度增大而单调递减，选定1.9 mm/s使FD接近400 μm以获得高疏水结构。
3.1.2 气压与孔形貌关系
在2.5–4.0 bar范围降低气压可减少过挤出，2.5 bar时层间非重叠区最小、层间黏结最佳，故采用2.5 bar匹配1.9 mm/s。
3.1.3 喷嘴角度与孔形貌
对比60°斜喷与90°垂直喷，垂直喷嘴挤出丝径波动更小（379–404 μm）、层间错位更低，结构保真度更高，后续均采用垂直喷嘴。
3.2 DIW多孔PDMS的SEM分析
SEM显示表面具平行沟槽与周期微通道，截面为互联孔网；单层层内14条丝、中心距0.8 mm，估算整体孔隙率约58%。各向异性物理架构为方向依赖润湿与定向液输运提供结构基础。
3.3 润湿性分析
X方向初始WCA达151.1°±1.2°，属超疏水；Y方向为125.2°±0.7°，呈普通疏水，Δθ显著，证明ASW。滚动角测试显示X向跨丝滚动阻力大（>80°），Y向沿沟槽40–60°即可滚落，具玫瑰花瓣型黏附超疏水特征。DCM溶胀后WCA略降但仍维持方向差异。材料同时表现疏水/亲油，适用于DCM–水选择性分离。
3.4 力学性能
压缩至89%应变无突裂，呈线弹性–平台–密实三阶段，卸载快速复原。拉伸断裂伸长148%、强度0.65 MPa，低于热压样（197%、2.06 MPa），系孔隙引入应力集中所致；但折叠加压一周后DIW样无残余变形，热压样不可逆塌陷。1000次拉伸后强度由0.62降至0.52 MPa（损失约16.1%）；1000次压缩后出现轻微Mullins软化，60%应变下强度仅由23.7降至23.3 kPa，疲劳稳定性优良。
3.5 DCM吸收分析
前30 min快速吸收阶段，DIW样达2.07±0.04 g/g，热压样仅1.27±0.05 g/g；平衡态一日后两者接近。循环中DIW样每次可挤压再生、容量稳定。纯水浸30天溶胀率<5%，且低于热压样。复杂污染物浸泡12 h后容量仅降0.02 g/g，?20°C与80°C处理分别降0.04与0.22 g/g；在DCM–水混合体系30 min仍达2.00 g/g，对SDS乳化DCM液滴可1 min内破乳澄清，证明高选择性与环境耐受性。
讨论与结论翻译
讨论指出，DIW通过路径编程把孔隙几何、表面粗糙度与PDMS本征低能面耦合，使各向异性结构同时调控润湿各向异性与毛细输运速率；互联孔道降低DCM扩散阻力，弹性骨架缓冲循环压缩，因而在保持超疏水同时实现快速可回收吸脱附。相较传统热压致密体，打印多孔体以适度拉伸强度换取了更高恢复性、抗蠕变与分离通量。
结论部分译文：
研究人员通过DIW 3D打印PDMS，调控打印速度、气压与喷嘴角度，成功构建集成各向异性表面润湿、超弹性与DCM吸收功能的多孔硅橡胶。材料在X向超疏水、具明显ASW，大应变下结构完整且快速回弹；千次循环后拉伸略降、压缩基本无退化。DCM吸收初期速率显著高于热压PDMS，平衡容量相当且可循环再生，在污染与温变环境下保持稳定。该工作将ASW、超弹性与可循环吸收统合于单一打印体系，为废DCM回收、油水分离、防水透气膜及柔性生物医学材料提供新策略；后续可通过盐浸提高孔隙率或引入水凝胶涂层拓展生物医学界面亲和性。
论文解读已完成，接下来可以选择一个方向继续深化：
评估该研究的创新贡献与局限 提炼可复用的DIW工艺参数框架 评估该研究的创新贡献与局限 提炼可复用的DIW工艺参数框架
