神操作，PTFE也能3D打印
神操作，PTFE也能3D打印
聚四氟乙烯（PTFE）是伴随着二战期间美国研制原子弹的“曼哈顿计划”而诞生的一类含氟聚合物，具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力，俗称“塑料王”。PTFE是苛刻使用环境下耐腐蚀、耐高温领域的明星材料，最为人们所熟悉的日常应用是作为不粘锅内衬层。但是，PTFE熔点高达327 ℃，传统的熔融挤出等塑料加工方法加工困难，使得PTFE的加工局限在高温烧结、车削等机械加工方法，极大地限制了其进一步广泛、便捷的应用。
3D打印技术是风靡当下的新一代材料加工成型技术，但是以往没有人会将其与PTFE联系在一起。近日，美国约翰霍普金斯大学David H. Gracias教授研究团队基于新型水性PTFE纳米颗粒油墨结合后续热处理工艺，简便实现了PTFE材料的3D打印成型。该3D成型技术所制备PTFE器件其力学和结构特性与传统模压成型PTFE器件类似，且机械性能可调控，在工程及医学领域具有广阔的应用前景。
PTFE油墨构成及3D打印示意图。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
研究人员通过将水性PTFE乳液中加入一定量水溶性阴离子粘弹性多糖（吉兰糖胶，GC）制备了新型的PTFE油墨；该PTFE油墨具有剪切稀化特性，同时具有一定的粘度在挤出后足以保持形状。系统测试表明：上述复合“墨水体系”在低剪切力下具有较高的存储模量，在高剪切力下呈现高损耗模量，具备优异的可打印特性；同时，GC最佳添加量为0.5~1.5%、挤出喷嘴适宜直径为0.8 mm。
复合“墨水”体系性能表征。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
基于新型PTFE墨水3D打印成型后的PTFE器件，经过后续的高温热处理除去易分解组分（添加剂）以保证其与纯PTFE模压器件具有近似的性能。研究团队采用统计学田口实验设计方法（Taguchi design-of-experiment）对GC浓度、最高热处理温度（Tmax）及冷却速率（CR）等加工工艺条件对打印器件机械性能以及表面性能的影响进行了系统分析。研究表明：不同工艺条件对材料表面（疏水）性能的影响较小；材料杨氏模量和屈服强度随GC浓度增加显著下降，而提高Tmax、CR能够提升材料的杨氏模量。
不同加工工艺对成型器件的性能影响。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
器件材料微观形貌表征显示：热处理高模量器件材料热处理后PTFE颗粒熔融粘结呈现均一的纤维状微结构；而低模量器件材料内部微观结构不均一，存在较多孔结构。同时，FTIR测试表明所有热处理工艺后器件材料体系中几乎无GC残留；证实器件最终模量的差异来源于材料微观结构的不同。
器件材料微观结构及性能表征。图片来源：ACS Appl. Mater. Interfaces
运用该新型PTFE 3D打印成型技术，研究团队成功制备了具有高保型性的蜂巢、管状、管式螺旋桨以及二叶式主动脉瓣等多种复杂结构PTFE器件，表明该成型技术具有广泛的适用性。
