摘要：2025年5月22日，中国科学院福建物质结构研究所吴立新、翁子骧在国际顶级期刊Nature communications发表题为《Vat photopolymerization of stretchable foam with highly entangled
光固化3D打印多孔柔性聚合物泡沫因其多孔性和轻质特性，在热绝缘、吸音、降噪和生物医学等领域具有很高的需求。
光固化3D打印使用的紫外光固化树脂由齐聚物组成，可提供出色的制造精度。然而，固化后较高的交联密度阻碍了绿色部件的膨胀，从而无法进一步加工成泡沫部件。
2025年5月22日，中国科学院福建物质结构研究所吴立新、翁子骧在国际顶级期刊Nature communications发表题为《Vat photopolymerization of stretchable foam with highly entangled and crosslinked structures》的研究论文，Haoyu Gao为论文第一作者，吴立新、翁子骧为论文共同通讯作者。
在文中，作者提出了一种简易的增材制造聚氨酯泡沫制备方法，成功平衡了制造精度和膨胀率。树脂体系中含二官能团动态聚脲键的齐聚物可确保打印精度。
此外，动态脲键在加热条件下解离，降低了交联密度，为膨胀提供了自由空间。而且，热刺激的链延伸和交联增强了泡沫的拉伸性能，在密度为0.25 g/cm3时展现出高达650%的应变。
该研究通过提供良好的表面质量和高膨胀率，同时不降低机械性能，解决了通过光固化3D打印制造自由发泡部件所面临的挑战。
图1：传统光固化树脂与PUB-胺双重固化体系的发泡机制
图1展示了传统光固化树脂在3D打印中的局限性以及本研究提出的基于PUB（聚氨酯甲基丙烯酸酯）和胺类固化剂的双重固化体系的发泡机制。图中分为三个部分：(a) 传统光固化树脂由于高交联密度导致固化后的绿色部件无法膨胀。(b) 仅由单体组成的光固化树脂虽然可以实现高膨胀比，但3D打印的绿色部件精度差，机械性能不足。(c) 本研究提出的PUB和单体组成的光固化树脂体系，不仅保证了高精度的绿色部件，还实现了高膨胀比和优异的机械性能。图中还展示了PUB的结构以及热处理后的交联和链延伸过程。
图2：3D打印泡沫的机械性能与成型精度验证
图2展示了3D打印泡沫的机械性能测试结果以及成型精度的验证。(a) 展示了纯PUB打印泡沫的拉伸测试结果，包括实物照片和应力-应变曲线，表明其具有高达650%的断裂伸长率。(b) 展示了IBOMA30-TEMs5样品的打印精度测试结果，打印模型边长为60 mm，实际打印件边长为60.1 mm，误差小于0.2%。(c) 展示了发泡精度测试结果，理论发泡尺寸为78 mm，实际测量尺寸为78.14 mm，同时插入了样品的扫描电子显微镜（SEM）图像，显示了闭孔泡沫形态。(d) 展示了不同时间间隔下发泡过程的观察结果，表明打印件在达到发泡温度后立即开始膨胀。(e) 使用有限元方法模拟了在定向热场下不同晶格结构的膨胀和加热过程，能够准确预测发泡过程中的变形程度。(f) 展示了使用该发泡方法制造的轻质泡沫鞋底，并将其安装到外底上，表明发泡后的样品与设计样品精确匹配，并与相应的橡胶外底无缝集成。(g) 发泡后的样品展现出对运动鞋中底和外底的良好贴合性。
图3：单体调控泡沫的机械性能与结构-性能机制
图3展示了通过调整单体种类和含量来调控泡沫的机械性能，并探讨了聚合物链的纠缠和交联网络对性能的影响。(a) 比较了光固化泡沫和商业聚氨酯泡沫在不同密度下的压缩强度，表明IBOMA30系列样品在高密度时展现出更高的压缩强度。(b) 展示了IBOMA30系列泡沫与其他报道的3D打印泡沫（包括DIW、FDM和高内相乳液方法）的压缩强度对比，进一步证明了其优越性。(c) 展示了IBOMA30系列泡沫在不同密度下的拉伸强度测试结果，表明即使在低密度下，泡沫仍保持较高的拉伸强度。(d) 展示了不同晶格结构（立方晶格、SchwarzP晶格、菱形晶格和桁架晶格）在压缩-释放过程中的应力变化，表明不同晶格结构具有不同的阻尼特性。(e) 展示了LMA30-TEMs10泡沫在不同压缩循环次数下的机械行为，表明其在1000次压缩循环后最大应变损失小于8%。(f) 展示了LMA30-TEMs10泡沫在1000次压缩循环中的残余应变（绿色点）和应力损失（橙色点）。(g) 展示了交联泡沫（三胺固化）和纠缠泡沫（二胺固化）在DMF溶剂中的溶解行为，表明交联泡沫在DMF中不完全溶解，而纠缠泡沫则完全溶解。
图4：光固化3D打印高纠缠和交联泡沫的应用
图4展示了通过光固化3D打印制备的高纠缠和交联泡沫的应用。(a) 展示了一个重量为8 g、表观密度为0.05 g/cm3的3D打印泡沫，可以被一片草叶支撑。(b) 展示了通过优化晶格结构，泡沫可以支撑比自身重量重625倍的物体。(c) 展示了使用基于晶格的泡沫垫可以支撑一个成年人（75 kg），而自身重量仅为35 g。(d) 比较了相同尺寸的发泡和未发泡晶格的能量吸收能力，发泡样品吸收了41.7%的总压缩能量，而未发泡样品仅吸收了7.7%。(e) 展示了由于3D打印泡沫材料的轻质特性和优异的能量吸收能力，在落地时，未受保护的玻璃因冲击而破碎，而受保护的玻璃则保持完好。(f) 展示了在长期大应变压缩后的热恢复能力测试结果，表明泡沫在经历90%的应变60秒后，可以通过60-70°C的热处理恢复超过90%的原始尺寸。
综上，作者成功开发了一种适用于光固化3D打印的可发泡紫外光固化树脂，所制备的泡沫部件不仅具有优异的机械性能（如高达650%的拉伸应变和22 MPa的压缩强度），还具备高精度的制造质量。
通过调整单体种类和含量，可以灵活调控泡沫的密度和力学性能，使其在航空航天、生物医学、汽车等领域具有广阔的应用前景，尤其是在制造轻质、高强、高韧的复杂结构部件方面展现出巨大潜力。
Gao, H., Huang, X., Arockiyasamy, A.R. et al. Vat photopolymerization of stretchable foam with highly entangled and crosslinked structures. Nat. Commun., (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60087-8.
来源：MS杨站长
