A combinação de flexibilidade e elasticidade torna os elastômeros essenciais em uma ampla gama de indústrias, incluindo automóveis, construção e bens de consumo. Além disso, eles estão se tornando cada vez mais atraentes em campos emergentes, como microfluídica, robôs leves, eletrônicos vestíveis e dispositivos médicos. Ter resistência mecânica suficiente é um pré-requisito para qualquer aplicação. Portanto, resolver os atributos aparentemente contraditórios entre suavidade e força sempre foi uma busca eterna. A seda de aranha natural tem uma resistência extraordinária, proporcionando uma fonte constante de inspiração para projetar e sintetizar materiais macios. Embora sua superestrutura única seja difícil de replicar, os princípios mais amplos de projeto de estruturas em camadas fornecem dicas úteis para o projeto de materiais elásticos com alta resistência mecânica. No entanto, os princípios de design acima não podem ser aplicados diretamente à impressão 3D com processamento digital de luz (DLP) baseada na fotopolimerização. A impressão DLP precisa de fotopolimerização rápida para obter o gel rápido necessário. Portanto, as fotoresinas geralmente contêm uma quantidade considerável de ésteres acrílicos ou metilacrílicos multifuncionais, o que limita severamente a liberdade do design molecular. Além disso, a cura rápida pode levar à formação de rede irregular e à tensão residual, o que também é prejudicial às propriedades mecânicas. O potencial para produção em larga escala de impressão 3D é prejudicado pela sua baixa eficiência de fabricação (velocidade de impressão) e qualidade insuficiente do produto (desempenho mecânico). O progresso mais recente na impressão 3D ultrarrápida de fotopolímeros aliviou a questão da eficiência de fabricação, mas as propriedades mecânicas dos polímeros impressos típicos ainda estão muito aquém das técnicas tradicionais de processamento.

Recentemente, a equipe do professor Xie Tao e do pesquisador associado Wu Jingjun da Escola de Engenharia Química e Bioengenharia da Universidade de Zhejiang publicou um artigo intitulado "Elastômeros imprimíveis em 3D com resistência e resistência excepcionais" na Nature. O estudo relatou uma química de resina impressa em foto 3D que produziu elastômeros com resistência à tração de 94,6 MPa e tenacidade de 310,4 MJ m-3, excedendo em muito qualquer elastômero impresso em 3D. Mecanicamente falando, isso é conseguido através da impressão de ligações covalentes dinâmicas em polímeros, permitindo a reconfiguração da topologia de rede e facilitando a formação de ligações de hidrogênio hierárquicas (especialmente ligações de hidrogênio amida), separação de microfases e estruturas interpenetrantes, promovendo sinergicamente excelentes propriedades mecânicas. Este trabalho oferece um futuro melhor para a fabricação em larga escala usando impressão 3D.

Figura 1: Projeto químico de elastômeros fotoimpressos em 3D © 2024 Springer Nature

Figura 2. Propriedades mecânicas dos elastômeros e seus mecanismos de fortalecimento e tenacidade © 2024 Springer Nature

Figura 3. Elasticidade e propriedades mecânicas dos elastômeros © 2024 Springer Nature

Figura 4: Elastômeros fortes e resistentes impressos por DLP © 2024 Springer Nature

A capacidade de imprimir em 3D materiais super fortes e ultra resistentes neste trabalho amplia sua gama de uso sob condições extremamente adversas, muito além dos dois exemplos apresentados no artigo. Além disso, o precursor de impressão deste trabalho foi sintetizado utilizando reagentes prontamente disponíveis em etapas simples, garantindo seu baixo custo. Embora existam outros princípios estabelecidos para projetar polímeros com propriedades mecânicas superiores, é um desafio aplicá-los diretamente à impressão 3D devido aos requisitos rigorosos para impressão de fotos, incluindo gel rápido sob luz e vida útil suficiente do recipiente durante a impressão e armazenamento. No entanto, eles fornecem informações úteis para o desenvolvimento futuro de materiais alternativos de impressão 3D de alto desempenho. No geral, o estudo sugere que a impressão 3D não compromete necessariamente o desempenho mecânico, o que elimina um grande obstáculo para a sua futura implementação comercial.

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