美國能源部橡樹嶺國家實驗室的研究人員設計出一種新型聚合物，它可以用於粘結和加固石英砂。據了解，這種可3D打印的聚合物能讓石英砂的結構具有複雜的幾何形狀和特殊的強度–並且還能實現水溶性。
日前發表在《Nature Communication》上的這項研究展示了一座3D打印的砂橋。據悉，它在6.5厘米處可以承受300倍於自身重量的重量，這一壯舉類似於12座帝國大廈坐在布魯克林大橋上。
據了解，粘合劑噴射打印過程比工業界使用的其他3D打印方法更便宜、更快速，並且還能使其有可能從各種粉末狀材料中創建3D結構，這使其在成本和可擴展性方面都佔有優勢。這一概念源於噴墨打印，但不是使用墨水，而是由打印頭噴射出液體聚合物來結合粉末狀材料並逐層建立起3D設計。結合的聚合物使打印的砂粒具有強度。
研究團隊通過利用聚合物的專業知識定製了一種聚乙烯亞胺（或PEI）粘合劑，跟傳統的粘合劑相比，它能讓砂部件的強度提高一倍。
通過粘合劑噴射打印的部件在從打印床中取出時最初是多孔的。它們可以通過在設計中滲入一種叫做氰基丙烯酸酯的額外的超級膠水材料來加強，這種材料可以填補縫隙。這第二步在第一步的基礎上帶來了八倍的強度增加，這使得該聚合物砂粒複合材料比任何其他和任何已知的建築材料都要更加堅硬。
“很少有聚合物適合作為這種應用的粘合劑。我們一直在尋找能給我們帶來最佳效果的特殊性能如可溶性。我們的關鍵發現是在我們的PEI粘合劑的獨特分子結構中，使其跟氰基丙烯酸酯發生反應以達到特殊的強度，”這項研究的首席研究員Tomonori Saito指出。
雖然使用用傳統粘合劑形成的部件可以通過滲透材料變得更密實，但沒有一個能達到接近PEI粘合劑的性能。PEI粘合劑令人印象深刻的強度源於聚合物在固化過程中跟氰基丙烯酸酯反應的方式。
超強度砂粒的一個潛在應用是推動複合材料製造的工具的發展。
石英砂是一種廉價的、容易獲得的材料，人們在汽車和航空航天領域對製造複合材料部件表現得越來越有興趣。輕質材料如碳纖維或玻璃纖維被包裹在3D打印的砂芯或“工具”中，然後通過加熱固化。石英砂對於工具來說是有吸引力的，因為它在加熱時不會改變尺寸且它在可清洗的工具方面具有獨特的優勢。在複合材料應用中，使用水溶性粘合劑來形成砂粒工具是非常重要的，因為它可以用自來水進行簡單的沖洗步驟來去除砂並留下一個空心的複合材料形狀。
田納西大學布雷迪森中心的學生和該研究的論文第一作者Dustin Gilmer指出：“為了確保模具零件的準確性，你需要一種在加工過程中不改變形狀的材料，這就是為什麼石英砂一直很有前景。挑戰一直是克服砂粒部件的結構弱點。”
目前的砂粒型鑄造模具和型芯的工業用途還比較有限，因為商業方法施加的熱量和壓力可能會導致砂粒型零件在第一次嘗試時就發生破裂或出現失敗。研究人員需要更強大的砂粒型零件來支持大規模的製造並實現快速的零件生產。
Gilmer表示：“我們的高強度聚合物砂複合材料提升了可以用粘合劑噴射方法製造的零件的複雜性、實現了更複雜的幾何形狀並擴大了製造、工具和建築的應用。”
據悉，這種新型粘結劑獲得了2019年R&D 100 Award並已被行業合作夥伴ExOne授權用於研究。