基于纤维素的高强度形状记忆光聚合树脂的增材制造

为什么智能 3D 打印塑料很重要

增材制造，更常被称为 3D 打印，正在改变我们制造从飞机零件到医疗器械的一切方式。然而，当今大多数光固化打印树脂仍以化石燃料为基础，且行为像脆性玻璃：一旦弯曲或压碎，就会开裂并保持损坏。该研究介绍了一种主要由纤维素（一种植物的主要构建块）制成的新型 3D 打印树脂，它不仅强度高、刚性好，还能“记住”原始形状并在遭受严重变形后恢复。此类材料有望使未来产品更耐用、更轻巧且更可持续。

借鉴植物细胞壁的巧妙策略

植物能抵御风、冲击和自身重量，得益于其细胞壁中的一种微妙结构。纤维素纤维束以半有序层状排列，受力时可以发生微小滑动，耗散能量而不破裂。作者在可打印树脂中模仿了这一自然策略。他们以微晶纤维素为起点——一种精制的植物材料——并化学连接小的反应基团，使其能在光照下固化。与更常见的塑料链形成的支撑网络混合后，得到的是刚性主链与可在载荷下稍有移动的纤维素链相互缠绕的致密结构，类似于木材中的纤维行为。

从液态树脂到会变形的结构

研究团队将这种基于纤维素的树脂配制为可用于数字光处理（DLP）的一种配方，DLP 是一种常见的 3D 打印方法，通过紫外光图案在数秒内固化薄层液体。采用该方法，他们无需额外支撑即可打印复杂的格栅结构，展示了良好的流动性、固化速度和尺寸精度。当这些打印件在试验机中被压缩到原高度的 75%，甚至被公交车碾过以产生复杂的不均匀力时，它们并未开裂或粉碎。相反，在荷载移除后几分钟内恢复到原始形状，显示出对形状和功能强烈的“时空记忆”。

可与工业塑料相媲美的强度

力学测试表明，这种被称为 CPPR‑P 的新材料结合了少见的多种性能。受压时，其强度可达约 115 兆帕，并在约 80% 的应变范围内保持弹性，卸载后能完全恢复。拉伸测试显示，它明显比缺少关键纤维素步骤的树脂版本更强且更刚性，并能在多次加载循环中保持低疲劳。剪切测试显示出对层间滑移失效的高抵抗力，对打印结构至关重要。与常用材料如 UV 固化环氧、尼龙和柔性聚氨酯相比，CPPR‑P 在压缩强度上优于三者，对刚性与环氧相当，并在反复回弹能力上远胜于它们而不会出现永久性损伤。

为现实世界条件而设计

研究者还考察了该树脂在热、水侵和重复运动下的行为。动态力学分析显示，在约 90°C 以下，该固体能有效储存机械能，而在该温度附近则能耗散能量并在形状之间切换——这对可控的形状记忆行为很理想。热学测量表明，材料在大约 250°C 以上才开始分解，表明在典型使用条件下具有良好的稳定性。将打印样品浸泡在水中数月后，样品有适度膨胀但保持完整性和刚性；在某些情况下其强度甚至提高，反映了内部网络的微妙重排。显微和散射技术证实了均匀且高度交联的微观结构，这解释了其韧性与弹性之间的平衡。

对未来设备的意义

通过将植物细胞壁中的自然应力耗散机制转译为一种光固化、富含纤维素的树脂，这项工作表明 3D 打印零件无需在强度、柔韧性和可持续性之间妥协。CPPR‑P 在现实的多向载荷下提供了罕见的高刚度、高强度和可靠的形状记忆混合性能。就实际应用而言，它可用于可重复使用的缓冲吸能构件、在冲击后能恢复的防护外壳以及可在潮湿或温暖环境中工作的轻量结构——同时依赖可再生的生物质原料。该研究因此为下一代增材制造产品指明了通往更绿色、更智能材料的道路。

引用: Zhao, X., Li, J. & Xiao, S. Additive manufacturing of cellulose-based photopolymerizable resin with high strength and shape-memory. Nat Commun 17, 3423 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70253-1

关键词: 纤维素, 3D 打印, 形状记忆, 光聚合树脂, 增材制造