苏州大学：基于自由基促进的阳离子RAFT聚合实现快速活性3D打印!

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分享： 2023/08/25 11:10:20

基于可逆失活自由基聚合（RDRP）的3D 打印技术为制备具有“活性”的聚合物材料提供了有效手段。该类材料由于保留有活性位点，可进一步用于聚合后修饰及功能化，以制备多种多样的刺激响应性材料，目前正成为该领域的研究热点。然而，相较于商用体系，已有技术的打印速率通常较低，限制了其实际应用。同时，已报道工作主要基于RDRP方法，机理较为单一。近期，苏州大学朱健教授团队探索了基于阳离子可逆加成断裂链转移（RAFT）聚合的立体光刻蚀（SLA）3D打印（ACS Macro Lett. 2021, 10, 1315）以及阳离子/自由基RAFT聚合联用的数字光处理（DLP）3D打印（Macromolecules 2022, 55, 7181）。拓宽了活性3D打印的聚合机理及单体适用范围，为调控材料性能提供了丰富手段。

相较于自由基RAFT聚合，阳离子RAFT聚合通常具有更快的聚合速率。在本文中，该研究团队考察了基于自由基促进的阳离子RAFT（RPC-RAFT）聚合的DLP 3D打印体系，实现了较为快速的打印速率（12.99 cm/h）。首先，作者设计了模型聚合来研究该方法的聚合行为，其机理如图一所示。商业可得的光引发剂（TPO）与二苯基碘鎓盐（DPI）被用于产生初始的阳离子引发种，随后聚合由一种二硫代氨基甲酸酯RAFT试剂（图3 B）通过阳离子RAFT过程调控。

图1. 推测的聚合机理。

如图2A所示，聚合呈现一级线性动力学，聚合物分子量与理论值吻合较好，分子量分布窄，符合活性聚合特征。

图2. 在405 nm波长光源下IBVE的聚合动力学结果：A）单体转化率半对数与聚合时间的关系曲线；B）分子量（M_n）和分子量分布（Ɖ）与单体转化率的关系；C）IBVE聚合物的SEC曲线。

随后研究团队详细研究了交联体系的聚合行为（图3），对双官能度单体二乙二醇二乙烯基醚（DDE），单官能度单体异丁基乙烯基醚（IBVE），RAFT试剂以及TPO/DPI引发体系不同配比进行了考察。结果显示没有IBVE时，聚合速率与单体最终转化率降低，这可能是由过高的交联密度导致。DDE与IBVE的比例在3:1到1:3之间变化时对聚合速率影响较小。进一步提高IBVE含量则会导致鎓盐析出。改变RAFT试剂的比例对聚合速率影响较小，这与传统的自由基RAFT聚合不同，可能是由于在阳离子RAFT聚合中不存在阻聚效应。

图3. A）商用DLP 3D打印机模型示意图；B）用于RPC-RAFT聚合3D打印的树脂配方；聚合树脂在405 nm波长光源照射以及不同反应条件下单体的转化率与时间曲线：C）不同光催化剂浓度；D）不同官能度乙烯基醚配比；E）不同RAFT试剂浓度。

利用优化后的打印树脂与商业可得的DLP 3D打印机，研究团队成功打印出具有较好分辨率的物体（图4）。然而，打印速率最高为6.77 cm/h。当进一步优化打印条件提高速率时，由于IBVE相对较低的沸点（83 °C），释放的聚合热使树脂出现了沸腾现象。

图4. 具有不同形状的3D物体数字模型以及相应的3D打印实体模型。

于是研究人员将低沸点的IBVE替换为高沸点（179.09 °C）的环己基乙烯基醚（CVE），成功将打印速率提升至12.99 cm/h，该速率为目前活性打印体系的最高值。在该打印条件下，成功打印出具有不同形成的三维物体（图5）。

图5. 具有不同形状的3D物体数字模型以及相应的3D打印实体模型。

最终，研究人员通过荧光单体（TPE-a）的聚合后修饰证明了所打印物体的活性特征。如图6所示，在利用该树脂所打印的薄膜表面涂上荧光单体溶液并用打印机形成的图案光照射，随后洗去溶液。经过照射的部分由光引发RAFT聚合扩链成功实现了荧光单体的接枝，因此在紫外光下呈现出荧光图案（图6 F）。在对比实验中，打印的薄膜由不含RAFT试剂的树脂制备，经过相同操作后在紫外光下则无荧光图案（图6 D），证明了该方法所打印物体具有活性特征。

图6. A） DLP 3D打印机中进行3D打印物体后功能化修饰示意图；B）3D打印物体后功能化修饰机理图；C）未经后功能化修饰的3D打印物体在可见光下的数字图像；D）未经后功能化修饰的3D打印物体在紫外光下的数字图像；E）经后功能化修饰的3D打印物体在可见光下的数字图像；F）经后功能化修饰的3D打印物体在紫外光下的数字图像。

该工作以“Fast Living 3D Printing via Free Radical Promoted Cationic RAFT Polymerization”为题发表在《Small》上。论文第一作者是苏州大学在读博士生赵博文，通讯作者为苏州大学朱健教授和李佳佳博士后。该工作获得了国家自然科学基金，中国博士后科学基金以及江苏省优势学科基金的资助。后续工作敬请关注。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202207637

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[来源：深圳摩方新材科技有限公司]

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