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  三維（3D）超彈性可壓縮回彈材料在壓力傳感器、能量存儲等諸多領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景。在眾多的3D結(jié)構(gòu)技術(shù)中，直寫成型3D打印技術(shù)不但能制造復(fù)雜的印刷結(jié)構(gòu)，同時可滿足工業(yè)化需求。但是，3D打印成型更關(guān)注于材料的輕質(zhì)和高強(qiáng)特性，彈性性能往往不佳。除了少量的石墨烯3D打印材料展示了超彈性性能外，其他材料鮮有涉及。因此，如何實(shí)現(xiàn)廣泛3D打印材料的可持續(xù)和高性能設(shè)計和拓展，具有重要的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價值。

  中國林科院木材所與加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)姜鋒教授團(tuán)隊巧妙的利用3D打印的結(jié)構(gòu)設(shè)計和CaCl₂的吸濕性來實(shí)現(xiàn)納米纖維素打印材料的超彈性，吸濕和離子導(dǎo)電性能。首先，采用直寫成型3D打印技術(shù)引入具有層級結(jié)構(gòu)的宏觀和微觀多孔結(jié)構(gòu)；隨后，將CaCl₂引入到3D打印的納米纖維素材料中，不但可以實(shí)現(xiàn)纖維素表面羧酸基團(tuán)的交聯(lián)，形成穩(wěn)定為堅固的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而且通過調(diào)節(jié)CaCl₂的表面吸附含量，可以實(shí)現(xiàn)對不同濕度下空氣中水分子的吸附，從而塑化纖維素分子鏈，產(chǎn)生彈性和柔韌性。這種3D打印的納米纖維素材料可以從70%的壓縮形變中完全恢復(fù)，并承受500次的壓縮循環(huán)。該材料具有良好的離子導(dǎo)電性能，應(yīng)力敏感度達(dá)到0.337 kP^-1，有望應(yīng)用于壓力傳感器、能量存儲等相關(guān)領(lǐng)域。該工作以“Superelastic, Hygroscopic, and Ionic Conducting Cellulose Nanofibril Monoliths by 3D Printing” 為題發(fā)表在ACS Nano上（2021，DOI：10.1021/acsnano.0c10577）。

圖一 納米纖維素材料3D打印的示意圖及超彈性、吸濕性和離子導(dǎo)電性能作用機(jī)理

圖二 可3D打印納米纖維素原料的流變性能和打印材料的體積、密度、吸水率和灰分產(chǎn)率

圖三 納米纖維素3D打印材料的力學(xué)性能

圖四 納米纖維素3D打印材料的表觀形貌、物化特征和吸濕性特征

  首先，作者通過真空干燥調(diào)節(jié)納米纖維素的濃度，確定可打印密度參數(shù)，并通過調(diào)整不同打印密度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的3D打印性能。0.5M的CaCl₂濃度可以低密度3D打印材料的100%壓縮回彈，因此，隨著3D打印的濃度和纖維素的濃度的提升，吸濕性鹽含量調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)不同打印材料的超彈壓縮回彈。除了可調(diào)控的材料超彈性和吸濕性，納米纖維素3D打印材料具有優(yōu)良的壓敏性能。

圖五 可調(diào)整的3D打印材料彈性性能和離子導(dǎo)電性能

  論文第一作者是中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所助理研究員陳媛博士，通訊作者為加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)林學(xué)院姜鋒教授。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、加拿大首席研究項(xiàng)目、加拿大自然科學(xué)和工程研究理事會、加拿大創(chuàng)新基金會-約翰·埃文斯領(lǐng)導(dǎo)人基金的資助。

  論文信息：Yuan Chen, Zhengyang Yu, Yuhang Ye, Yifan Zhang, Gaiyun Li, Feng Jiang, Superelastic, Hygroscopic, and Ionic Conducting Cellulose Nanofibril Monoliths by 3D Printing. ACS Nano, 2021, DOI: 10.1021/acsnano.0c10577.

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c10577