从触敏智能手机屏幕到健身可穿戴设备和无线耳机，电子产品正日益融入我们的日常生活，并且体积更小、重量更轻、灵活性更高。随着对电子设备需求的增长，对更可持续的生产方式的需求也日益增长。

新加坡科技设计大学(SUTD)副教授桥本道直(Michinao Hashimoto)领导的研究团队正致力于解决这一难题。该团队开发了一种新颖的3D打印方法，将可生物降解材料转化为导电结构，从而为各种电子元件注入强大的可持续性元素。

“随着3D打印技术的进步，这项技术不再仅仅局限于塑料的塑形，”桥本副教授说道。“它还能融入导电性等功能，从而直接利用可持续材料制造设备。”

在题为《通过浸没沉淀法挤出打印导电聚合物复合材料》的论文中，该团队探索了醋酸纤维素的使用。醋酸纤维素是一种源自植物的可生物降解塑料，日益被视为合成聚合物的绿色替代品。然而，用它进行打印远非易事。该研究发表在《ACS 应用工程材料》杂志上。

传统的挤压式打印方法，例如熔融沉积成型，依赖于高温——醋酸纤维素无法承受高温，否则会降解。薄膜浇铸等其他方法则缺乏数字化制造所需的精度和灵活性。

为了解决这个问题，研究人员转向了直接墨水书写技术，即在室温下挤出聚合物墨水。他们定制的墨水将溶解在丙酮中的醋酸纤维素与石墨微粒结合在一起，以实现导电性。然而，由于丙酮挥发缓慢，墨水在空气中极易扩散，导致打印清晰度不佳。

研究人员引入了一种水介质，从而取得了突破。通过将墨水直接挤压到水中，他们启动了一个称为“浸没沉淀”的过程，水迅速从墨水中提取丙酮，从而使墨水在原位固化。重要的是，这个过程阻止了材料扩散，从而能够形成清晰锐利的3D结构。

“这是首次将浸没沉淀法与3D打印技术相结合，实现导电聚合物复合材料，”桥本副教授解释说。“它让我们能够打印出填料含量远高于以往的油墨，而不会出现堵塞或结构坍塌的情况。”

大多数印刷方法难以处理重量百分比超过30%至50%的导电填料。超过这个比例，喷嘴堵塞或形状控制就会成为问题。但研究人员利用基于浸没的技术，能够将石墨浓度提升至60%，同时保持良好的印刷适性和均匀性。印刷复合材料的电导率超过30 S/m，足以支持柔性电路和软传感器等应用。

他们还演示了如何利用这些打印复合材料完成电路，成功为发光二极管 (LED) 供电。为了进一步展示其方法的多功能性，他们将悬垂螺旋结构打印到凝胶基支撑介质中，无需传统的支架或后处理即可实现复杂的几何形状。

“无需支撑，仅使用凝胶浴即可打印悬垂结构，这确实扩展了我们的研究范围，”该论文的主要作者阿伦拉杰·S/O·奇丹巴拉姆博士 (Dr. Arunraj S/O Chidambaram) 说道。“相比打印牺牲结构，然后再移除，这是一种更简洁、更高效的方法。”

环境可持续性是该项目的主要驱动力。醋酸纤维素和石墨均可生物降解且广泛可用。墨水中使用的溶剂丙酮毒性低，且易于在土壤和水中降解。将这些材料结合起来，团队能够提供一种可行的电子制造方法，从而减少对环境的影响。

该团队计划将该方法应用于其他聚合物-填料组合，并测试其打印材料在实际条件下的长期性能。其总体目标是创建一个可扩展、低成本的平台，用于生产可持续的高性能设备。

桥本副教授补充道：“通过调整材料特性和改进工艺，我们的目标是建立一个完整的可打印功能复合材料库，以满足特定应用的需求——无论是可穿戴技术、生物传感器还是柔性电路。”

更多信息： Arunraj Chidambaram 等人，《通过浸没沉淀法挤出打印导电聚合物复合材料》，ACS 应用工程材料(2025)。