SAXS顶刊案例分析—Nature,631,783–788 (2024):3D打印弹性体

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论文题目:3D printable elastomers with exceptional strength and toughness 
发表期刊:Nature,631,783–788 (2024)
接收日期:21 May 2024
通讯作者:Jingjun Wu & Tao Xie

摘要
三维(3D)打印已经成为一种有吸引力的制造技术,因为它在几何复杂的定制产品方面具有特殊的能力。然而,其大规模生产的潜力受到其低制造效率(打印速度)和产品质量(机械性能)不足的阻碍。光聚合物超快速3D打印的最新进展缓解了制造效率的问题,但典型打印聚合物的机械性能仍然远远落后于传统加工技术。这是因为印刷要求限制了分子设计朝着实现高机械性能的方向发展。本文作者报道了一种3D光打印树脂化学,它产生的弹性体的抗拉强度为94.6 MPa,韧性为310.4 MJ m−3,这两者都远远超过任何3D打印弹性体。从机械上讲,这是通过打印聚合物中的动态共价键实现的,允许网络拓扑结构重新配置。这有助于形成层次氢键(特别是酰胺氢键)、微相分离和互穿结构,从而协同促进卓越的机械性能。
SAXS实验信息
光源: METALJET X-ray source
波长/能量:1.35 Å
设备:XEUSS 3.0 system
探测器:Dectris EIGER2 Si 1 M detector
SDD:0.36–4 nm−1

分析方法及结果

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该研究报道了一种具有卓越强度和韧性的3D可打印弹性体,通过特定的化学交联和氢键作用实现。文章详细描述了材料的制备、表征及其机械性能,展示了其在极端条件下的稳定性。该弹性体在多个领域具有潜在应用。

通常情况下,超高强度和良好韧性的性能是相互冲突的。在3D光固化打印中尤其要考虑这一点。因此,为了解释潜在机制,作者使用SAXS和WAXD对样品热固化前后的微观结构进行了表征。如上图所示。

样品最初是透明的,其玻璃化转变温度是负30°。但是当拉伸到700%时,样品呈现出白色。原始样品的WAXS数据在1.4A-1处出现了一个宽的无定形峰。当拉伸到700%时,该峰分裂呈现为两个峰(0.9 和 1.5 A-1),这归因于聚四氢呋喃片段的结晶化。结果表明,应变诱导结晶是图中观察到的应力白化和应变硬化的原因。

在WAXS中(f图),热固化前后的曲线几乎完全一致。在SAXS结果中(g,h),两个样品均在0.12A-1处呈现明显的散射峰:来自于微相分离产生的小尺寸聚集体的间距。这一结构特征在固化后样品中变强,表明了微相分离程度增强。

作者使用了Irena 软件包的Igor pro程序,选择统一幂律模型+Lorenetz 峰函数,对数据进行了拟合分析。

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拟合结果得到了特征尺寸Rg=2 nm,间距D=5.2 nm。

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拟合效果
总结:作者使用SAXS与WAXS研究了弹性体的内在微观结构和微相分离现象,解析了应力诱导的结晶是应力白化和应变硬化的原因。SAXS技术在表征软物质领域具有独特的优势。其中水凝胶材料中的微相分离、微区结构、分形维数、孔洞、应力诱导的结构变化等,都十分适合使用小角散射技术来研究。更进一步,可以引入温度、应力、湿度、光照等多种外界刺激因素,结合原位表征技术,以实现构效关系研究。

本文源自微信公众号:科学边角料

原文标题:《看顶刊如何用SAXS——Nature,631,783–788 (2024):3D打印弹性体》

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/6b5s0OH5qtskPSy3zP8Kww

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