La combinaison de flexibilité et d’élasticité rend les matériaux élastiques essentiels dans un large éventail d’industries, notamment l’automobile, la construction et les biens de consommation. De plus, ils sont de plus en plus attractifs dans des domaines émergents tels que la microfluidique, la robotique douce, les wearables et les dispositifs médicaux. Cependant, disposer d’une résistance mécanique suffisante est un prérequis à toute application. Ainsi, résoudre les attributs apparemment contradictoires entre douceur et force a toujours été une quête éternelle.
La soie d'araignée naturelle possède une résistance extraordinaire, fournissant une source d'inspiration continue pour la conception de matériaux synthétiques doux. Bien que sa superstructure unique soit difficile à reproduire, le principe plus général de conception de structures en couches fournit des indications utiles pour concevoir des matériaux élastiques à haute résistance mécanique. Cependant, les principes de conception ci-dessus ne peuvent pas être directement appliqués à l’impression 3D basée sur le traitement numérique de la lumière (DLP). L'impression DLP nécessite un photopolymérisation rapide pour obtenir la gélification rapide nécessaire. Par conséquent, les résines photopolymères contiennent généralement une quantité importante d’acrylates ou de méthacrylates multifonctionnels, limitant considérablement la liberté de conception moléculaire. De plus, une solidification rapide peut conduire à une formation inégale du réseau et à des contraintes résiduelles, qui nuisent également aux performances mécaniques.
Le potentiel de production à grande échelle de l’impression 3D est entravé par sa faible efficacité de fabrication (vitesse d’impression) et la qualité insuffisante des produits (performances mécaniques). Les dernières avancées en matière d’impression 3D ultrarapide de photopolymère atténuent le problème de l’efficacité de la fabrication, mais les propriétés mécaniques typiques du polymère imprimé sont encore loin derrière les techniques de traitement traditionnelles.
Récemment, l'équipe du professeur Xie Tao et du chercheur associé Wu Jingjun de l'École de génie chimique et de bio-ingénierie de l'Université du Zhejiang a publié un article intitulé « Élastomères imprimables en 3D dotés d'une résistance et d'une ténacité exceptionnelles » dans Nature. L’étude a rapporté une chimie de résine photo-imprimée en 3D qui a produit des élastomères avec une résistance à la traction de 94,6 MPa et une ténacité de 310,4 MJ m-3, dépassant de loin n’importe quel élastomère imprimé en 3D. Mécaniquement parlant, ceci est réalisé en imprimant des liaisons covalentes dynamiques dans des polymères, permettant la reconfiguration de la topologie du réseau et facilitant la formation de liaisons hydrogène hiérarchiques (en particulier les liaisons hydrogène amide), la séparation des microphases et les structures interpénétrées, favorisant ainsi de manière synergique d'excellentes propriétés mécaniques. Ce travail offre un avenir meilleur à la fabrication à grande échelle utilisant l’impression 3D.
Figure 1 : Conception chimique d'élastomères photoimprimés en 3D © 2024 Springer Nature
Figure 2. Propriétés mécaniques des élastomères et leurs mécanismes de renforcement et de durcissement © 2024 Springer Nature
Figure 3. Élasticité et propriétés mécaniques des élastomères © 2024 Springer Nature
Figure 4 : Élastomères solides et résistants imprimés par DLP © 2024 Springer Nature
La capacité d’imprimer en 3D des matériaux extrêmement résistants et ultra résistants dans ce travail étend sa gamme d’utilisation dans des conditions extrêmement difficiles, bien au-delà des deux exemples présentés dans l’article. De plus, le précurseur d’impression utilisé dans ce travail a été synthétisé en utilisant des réactifs facilement disponibles en étapes simples, garantissant ainsi son faible coût. Bien qu'il existe d'autres principes établis pour concevoir des polymères dotés de propriétés mécaniques supérieures, il est difficile de les appliquer directement à l'impression 3D en raison des exigences strictes de l'impression photo, notamment une gélification rapide sous la lumière et une durée de vie suffisante du récipient pendant l'impression et le stockage. Néanmoins, ils fournissent des informations utiles pour le développement futur de matériaux alternatifs d’impression 3D haute performance. Dans l’ensemble, l’étude suggère que l’impression 3D ne compromet pas nécessairement les performances mécaniques, ce qui constitue un obstacle majeur à sa future mise en œuvre commerciale.
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