Impression 3D et modification de surface in situ via polymérisation de transfert de chaîne d’addition-fragmentation réversible de type I

Le présent protocole décrit l’impression 3D numérique de matériaux polymères basée sur le traitement de la lumière à l’aide de la polymérisation réversible de type I par transfert de chaîne addition-fragmentation photoinitiée et la post-fonctionnalisation ultérieure du matériau in situ via une polymérisation à médiation superficielle. L’impression 3D photoinduite fournit des matériaux avec des propriétés en vrac et interfaciales personnalisées et contrôlées spatialement de manière indépendante.

Ce protocole permet d’accorder indépendamment les propriétés en vrac et interfaciales des matériaux imprimés en 3D. Cela donne une plus grande flexibilité pour concevoir et fabriquer des matériaux complexes imprimés en 3D. Cette technique ne nécessite pas de conditions de réaction strictes et peut être réalisée à l’aide d’équipements disponibles dans le commerce.

En conséquence, cette technique facilite considérablement la fabrication de matériaux complexes imprimés en 3D. Pour commencer, préparez la résine en vrac en pesant 0,36 gramme de BTPA dans un flacon d’ambre propre de 50 millilitres. Ajouter 13,63 millilitres de diacrylate de polyéthylène glycol et 14,94 millilitres de DMAm au flacon ambré à l’aide d’une micropipette.

Dans un flacon de verre propre séparé de 20 millilitres recouvert de papier d’aluminium, ajoutez 0,53 gramme de TPO. À l’aide d’une micropipette, ajouter 10 millilitres de DMAm au flacon en verre de 20 millilitres contenant le TPO et sceller le flacon à l’aide du bouchon. Homogénéiser soigneusement la solution de TPO dans DMAm en mélangeant à l’aide d’un mélangeur vortex pendant 10 secondes, puis en utilisant un bain sonique de laboratoire standard pour soniquer le mélange pendant 2 minutes à température ambiante.

À l’aide d’une pipette en verre et d’une ampoule en caoutchouc, transférez la solution du flacon en verre de 20 millilitres au flacon ambré de 50 millilitres et scellez le flacon avec un bouchon et un film plastique moulable. Agitez doucement le flacon d’ambre de 50 millilitres, puis placez le flacon dans un bain sonique pendant 2 minutes à température ambiante pour vous assurer que le mélange est homogène. Placez le flacon ambré scellé rempli de résine en vrac dans une hotte pour une utilisation ultérieure.

Préparez la résine de surface comme décrit précédemment pour la préparation de la résine en vrac. Après avoir préparé la résine de surface, placez le vile ambré scellé rempli de résine de surface dans une hotte pour une utilisation ultérieure. Pour effectuer l’impression 3D, versez la résine en vrac préalablement préparée dans la cuve de l’imprimante 3D, en vous assurant que la solution recouvre complètement le film inférieur dans la cuve sans bulles d’air ni autres inhomogénéités, puis fermez le boîtier de l’imprimante 3D.

Naviguez dans l’USB à l’aide de l’écran de l’imprimante 3D et sélectionnez le fichier de modèle découpé en cliquant sur le bouton de lecture triangulaire pour commencer le processus d’impression 3D. En regardant l’écran de l’imprimante 3D, notez attentivement le nombre de couches imprimées et mettez en pause le programme d’impression en appuyant sur le bouton Pause à deux lignes verticales lors de l’impression 3D de la dernière couche du substrat de base. Retirez toute l’étape de construction et rincez doucement l’étape de construction et le matériau imprimé avec de l’éthanol 100% non dénaturé d’une bouteille de lavage pendant 10 secondes pour éliminer la résine en vrac résiduelle du matériau imprimé en 3D et de l’étape de construction.

À l’aide d’air comprimé, séchez doucement le matériau imprimé en 3D et l’étage de construction pour éliminer l’éthanol résiduel, puis réinsérez l’étape de construction dans l’imprimante 3D. Retirez la cuve de l’imprimante 3D et versez la résine en vrac restante dans un vil ambré, et stockez l’ignoble dans un endroit frais et sombre. En utilisant de l’éthanol 100% non dénaturé provenant d’un flacon de lavage, rincez soigneusement la cuve pour éliminer toute résine en vrac résiduelle.

Séchez la cuve à l’aide d’un jet d’air comprimé pour éliminer tout éthanol résiduel et réinsérez la cuve dans l’imprimante 3D. Pour effectuer la fonctionnalisation de surface, versez la résine de surface préalablement préparée dans la cuve de l’imprimante 3D, en vous assurant que la solution recouvre complètement le film inférieur sans bulles d’air ni autres inhomogénéités, puis fermez le boîtier de l’imprimante 3D. Reprenez le programme d’impression 3D en cliquant sur le bouton de lecture du triangle pour permettre le motif de surface prédéterminé.

Une fois le programme d’impression terminé, retirez l’étape de construction de l’imprimante 3D et lavez pendant 10 secondes avec de l’éthanol 100% non dénaturé à l’aide d’une bouteille de lavage pour éliminer la résine de surface résiduelle du matériau imprimé en 3D et de l’étape de construction. À l’aide d’air comprimé, séchez doucement le matériau imprimé en 3D et construisez l’étape pour éliminer l’éthanol résiduel. Tout en restant attaché à l’étape de construction, post-durcissez le matériau en inversant toute l’étape de construction et en le plaçant sous une lumière de 405 nanomètres pendant 15 minutes.

Retirez délicatement le matériau imprimé en 3D fonctionnalisé en surface de l’étape de construction à l’aide d’une fine plaque métallique ou d’un grattoir à peinture. Pour effectuer l’analyse de fluorescence, placez le matériau fonctionnalisé de surface imprimé en 3D sous une lampe à décharge de gaz ultraviolet de 312 nanomètres dans un endroit sombre, en vous assurant que la couche fonctionnalisée de surface est tournée vers le haut. Allumez la lampe pour irradier en continu la couche superficielle avec une lumière de 312 nanomètres et observez le motif fluorescent.

Pour effectuer l’analyse des propriétés de traction, placez les échantillons en forme d’os de chien entre les poignées d’une machine d’essai de traction, en veillant à ce que le matériau imprimé en 3D soit également placé à une distance de 50,3 millimètres. Démarrez le programme pour acquérir des données de force par rapport aux données de voyage. Après l’impression 3D et la fonctionnalisation de surface, le matériau a été post-durci sous irradiation de 405 nanomètres.

Il a été observé que les matériaux fonctionnalisés étaient jaunes mais très transparents avec des formes bien définies. Les matériaux fonctionnalisés ne montrent aucune fluorescence dans l’obscurité. Cependant, lors de l’irradiation ultraviolette, une fluorescence de surface résolue spatialement a été observée dans les régions irradiées par la lumière pendant l’étape de fonctionnalisation de la surface, visible sous la forme d’un motif yin-yang légèrement surélevé.

Les images de fluorescence ont montré que le dessous du matériau ne présentait aucune fluorescence sous irradiation par lumière ultraviolette. Cependant, la face supérieure du matériau a montré une forte fluorescence dans le motif yin-yang. Les propriétés mécaniques des échantillons en forme d’os de chien imprimés en 3D ont été analysées et une courbe contrainte-déformation a été obtenue.

Le matériau a montré une déformation élastique, fournissant une contrainte d’élasticité d’environ 25 mégapascal, puis une déformation plastique avant défaillance. L’allongement à la rupture était d’environ 12% tandis que la contrainte à la rupture était d’environ 22 mégapascal. Le module de Young a été calculé à environ 7 mégapascal, tandis que la ténacité était d’environ 115 mégajoules par mètre cube.

Il est important de s’assurer que la surface résidente recouvre complètement le film de la cuve et est exempte de bulles d’air ou d’autres imperfections pouvant entraîner des écarts par rapport au motif de surface prévu.