3D打印制备具有特殊润湿性的规整多孔硅橡胶及其结构与润湿性的机械稳定性能研究

It is still a great challenge for the actual applications of materials with special wettability, such as superhydrophobicity, superoleophobicity, superhydrophilicity and superoleophilicity. One of the most important reasons should be ascribed to the insufficiency of mechanical stability for materials with special wettability. To solve the problem, the computer software program was used to design porous rough structures and silicon rubber ink was prepared and then used in 3D printing process. After 3D printing, all the filaments in porous silicon rubber were treated with hyperthermal hydrogen induced cross-linking (HHIC) to further enhance the special wettability and robust mechanical stability. In this proposal, the morphological evolution and viscoelastic response of silicone rubber ink in the dynamic shear flow field of gas-assisted micro-extruding were investigated. The effect of 3D printing process on physical morphologies of porous silicon rubber was established. The precise control of 3D printed filament structures of porous silicon rubber was studied. And the effect of HHIC process on the surface treatment was researched. The microstructure evolution under the mechanical behavior and the numerical simulation model were established to reveal the key factors on the mechanical stability of porous silicon rubber. This proposal will provide a new theory and method to improve the mechanical stability of porous silicon rubber with special wettability, and it may promote the applications of materials with special wettability and robust mechanical stability in aerospace, electronics, military and other fields.

超疏水、超疏油、超亲水、超亲油等特殊润湿性材料仍难以被实际应用，最主要的原因在于其机械稳定性不足。针对这一问题，申请人拟通过电脑软件程序进行多孔粗糙结构设计，研发3D打印硅橡胶“墨水”，并通过超热氢交联（HHIC）化学改性多孔硅橡胶本体材料的内外所有“墨水”线条表面，从而制备具有优异机械稳定性的规整多孔硅橡胶复合材料。该研究旨在探索硅橡胶“墨水”在气辅微挤成型动态剪切流动场下的形态演变与粘弹性响应规律，建立打印工艺对多孔硅橡胶微观物理形貌结构的影响规律，掌握3D打印多孔硅橡胶线条结构的精确调控方法，探索HHIC对多孔硅橡胶结构中所有线条表面改性的影响规律，并建立机械作用下多孔硅橡胶微结构演变与数值仿真模型，揭示其机械稳定性关键调控因素，为具有优异机械稳定性的特殊润湿性多孔硅橡胶的制备提供一种新理论、新方法，推动具有优异机械稳定性的特殊润湿材料在航空航天、柔性电子、武器装备等领域的应用。

表面润湿性几乎是所有材料都需要关注的表面性质之一，而其润湿性的耐机械稳定性与其使用寿命的长短密切相关。为了提高规整多孔硅橡胶复合材料表面特殊润湿性的机械稳定性，本项目进行了以下四方面的研究：（1）采用3D打印聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）复合“墨水”的制备方式，制备得到多种不同类型的规整多孔硅橡胶，通过对可3D打印的硅橡胶复合材料“墨水”的设计及优化、从原材料配方上采用不同纳米粒子不仅可以有效调节PDMS“墨水”的可打印性，还能依靠无机纳米粒子增加其机械稳定性，同时功能性纳米粒子的添加还将赋予多孔硅橡胶复合材料更多潜在应用；（2）通过对3D打印工艺的探索，优化调控其润湿性，从结构上采用多层打印的方式，将多孔硅橡胶复合材料的表面特殊润湿性延伸到材料内部，从而赋予其从内到外的特殊润湿性，提高其机械稳定性；（3）探索多孔材料的从内到外的硅橡胶复合涂层修饰工艺，通过设计互穿聚合物网络（Interpenetrating Polymer Network，IPN）结构，制备得到持久稳定、长时间耐机械破坏的特殊润湿性亲水且具有优异抗污功效的多孔改性材料，为3D打印多孔硅橡胶表面的润湿性调控提供了一种可行思路和方案。另外证实通过粘结涂层（adhesive layer，AL）发挥“桥梁”作用，也能有效增加特殊润湿性涂层和基底之间的机械稳定性；（4）采用对3D打印规整多孔硅橡胶进行数值模拟，从理论上揭示其在压缩、拉伸、弯曲等机械作用力下的结构稳定性变化规律，同时研究规整多孔硅橡胶的物理结构差异，如胶丝铺层角度与胶丝位错对其在不同机械作用力下的结构稳定性变化规律，通过对这些参数的优化将进一步提升3D打印多孔硅橡胶的结构以及其特殊润湿性的机械稳定性。因此，本项目的研究证实能够通过3D打印制备得到多种类型的规整多孔硅橡胶复合材料，并且通过其配方优化、打印工艺优化、后期涂层修饰处理能够实现其特殊润湿性有目的的调控，同时也能有多种方式提高其耐机械稳定性。