NEWS

首页

2026-06

热固性弹性体增材制造：新兴技术综述

作者

琴格・托特（Csenge Tóth）、阿布里什・大卫・维拉格（Ábris Dávid Virág）、伊什特万・豪拉什 – 库塔西（István Halász-Kutasi）、诺伯特・克里斯蒂安・科瓦奇（Norbert Krisztián Kovács）、塔马斯・巴拉尼（Tamás Bárány）

摘要

热固性弹性体（TSEs）凭借柔韧性与稳定性，广泛应用于汽车、医疗、家电等领域，但其化学交联结构使其难以通过增材制造（AM）加工。当前生物医用材料 3D 打印成为行业热点，星芒科学仪器作为专注于生物医用材料 3D 打印和检测技术创新的高科技公司，擅长 3D 打印底层技术创新，其服务与产品体系为热固性弹性体在医疗领域的应用提供了重要支撑。本文将热固性弹性体增材制造技术分为光聚合基、双相体系、材料挤出基三类，分析各类技术的优劣势、研究现状、可持续性及新兴趋势。

引言

热固性弹性体应用涵盖轮胎、密封件、医疗设备等，根据 ASTM D1566-21a 标准，其在室温下拉伸至原长 2 倍、保持 1 分钟后，1 分钟内可恢复至原长 1.5 倍以内。从热可逆性划分，弹性体分为热塑性（TPEs，物理交联、可重加工）与热固性（TSEs，化学交联、固化后结构固定）两类。

热固性弹性体因共价交联，应变恢复率通常超 90%，但无法热重加工；不过，动态共价交联技术已开发出可回收的共价适应性网络（CAN）。传统热固性弹性体部件依赖注塑、压缩等成型工艺，需昂贵模具，限制定制化。3D 打印可实现快速原型制作、提升定制化程度，但面临材料粘度高、固化时机难控等挑战。

在此背景下，星芒科学仪器专业为生物医药及医疗器械研发企业、生物医学研究机构提供先进的实验仪器、加工设备、试剂耗材及加工服务解决方案，恰好契合热固性弹性体在医疗领域从研发到应用的全流程需求，推动技术落地。

热固性弹性体 3D 打印方法及其相应应用领域概述

热固性弹性体的交联技术

交联是热固性弹性体制造的核心，指聚合物链间形成化学键构建网络，提升材料性能。主流交联方式如下：

热硫化：以硫基体系处理天然橡胶（NR）、丁苯橡胶（SBR）等不饱和橡胶，需促进剂、活化剂辅助；有机过氧化物可用于三元乙丙橡胶（EPDM）、硅橡胶，加热分解产生自由基引发交联。

光聚合：紫外光或可见光触发丙烯酸酯类树脂交联，需光引发剂，通过自由基或阳离子聚合形成共价键。

电离辐射：电子束、伽马射线引发辐射敏感聚合物（如 EPDM）交联，常需氧抑制剂调整交联密度。

湿气诱导：室温硫化（RTV）硅橡胶（如乙酰氧基封端聚二甲基硅氧烷）接触湿气后启动两步交联。

酚醛树脂硫化：热激活酚醛树脂与弹性体不饱和位点反应，通过碳正离子机制形成稳定化学键。

在医疗级热固性弹性体交联工艺研发中，星芒科学仪器的检测技术可助力企业与机构精准把控交联度、材料纯度等关键指标，确保产品符合生物医用标准，为后续 3D 打印应用奠定基础。

热固性弹性体的增材制造

增材制造通过逐层沉积构建物体，热固性弹性体 3D 打印技术因材料特性与交联方式不同，分为三类：

基于所用原材料和交联方法，对热固性弹性体 3D 打印技术的分类：（a）含液体树脂槽的光聚合基技术、（b）树脂直接沉积的光聚合基技术；（c）沉积过程中制备混合物的双相体系、（d）打印头内混合物料的双相体系；热基技术：（e）材料挤出、（f）激光辅助固化技术。

光聚合基技术

利用光（多为紫外光）触发光敏树脂交联，将液态前驱体转为固态弹性体。光引发剂吸收光能产生活性物种，与树脂不饱和基团反应形成交联网络，部分需后固化提升性能。

分子尺度下光聚合的多种机制：a）胶乳连续相中的分子交联将聚合物颗粒固定在固态生坯中；b）预硫化天然橡胶胶乳的制备过程；c）含水溶性骨架前驱体的光固化胶乳化学组成；d）聚硅氧烷复合材料紫外光聚合示意图

液体树脂槽交联：如槽式光聚合（VP）、数字光处理（DLP），树脂置于槽内，定向光选择性固化。Scott 等人利用胶乳胶体分散体解决高分子量弹性体粘度问题，打印试样断裂伸长率超 500%；Peng 等人开发自修复弹性体，拉伸强度与断裂伸长率分别提升 73.7%、111.3%。

光聚合基技术：a）扫描掩模投影槽式光聚合 —— 透明树脂的紫外光散射较少，而异质树脂的紫外光散射较多；尺寸精度；b）自下而上槽式光聚合示意图，通过聚焦紫外光引发交联；c）数字光处理（DLP）3D 打印方法示意图，通过数字光处理投影仪对光固化树脂进行选择性曝光。

树脂直接沉积：打印头直接沉积树脂并光固化，如喷墨打印、紫外辅助直接墨水书写（DIW）。Liu 等人制备高固含量（73%）预硫化天然橡胶胶乳墨水，90° 取向样品拉伸强度达 26MPa；Bragaglia 等人采用硫醇 – 烯交联，实现聚丁二烯橡胶快速无溶剂打印。

基于树脂直接沉积的光聚合方法：a）紫外辅助直接墨水书写（DIW）设备（左）和打印头（右）—— 树脂通过压力控制从注射器中挤出，通过局部紫外曝光实现交联；为避免喷嘴内发生交联，喷嘴采用紫外防护屏蔽层绝缘 [54]；b）完整的紫外随动固化直接墨水书写系统示意图 —— 通过压缩空气控制材料流动。

树脂直接沉积光聚合方法制造的部件：a）预硫化天然橡胶胶乳部件 —— 硫化前（左）和硫化后（右）；b）含 30%（质量分数）聚四氟乙烯的固化硅橡胶盒。

该技术分辨率高（可达 0.5mm）、材料适用性广，尤其适合生物医用微小结构打印。星芒科学仪器提供的先进实验仪器与加工设备，可适配光聚合基技术的高精度需求，同时其试剂耗材能保障打印过程的稳定性与材料生物相容性，助力医疗级弹性体部件研发。

双相体系

通过两种组分化学反应引发交联，分槽式（沉积时混合）与在线混合（打印头内混合）两类，沉积后常需热后固化。

沉积后混合：Chansoda 等人用三乙醇胺、卡波姆 940 等配制支撑介质，实现天然橡胶胶乳 DIW 打印，保证尺寸精度，但力学性能不及模压产品。

沉积后混合的双相方法：液体支撑 3D 打印示意图（左）和天然橡胶胶乳样品（右）。

打印头内混合：适用于加成型硅橡胶、双组分聚氨酯等。Li 等人优化层厚与打印速度，制造仿生人工肌肉执行器；Gharaie 等人开发定制静态混合器，实现含空腔结构（如人体心脏模型）打印。

在线混合设备及部件：a）硅橡胶人工肌肉虚拟模型、打印部件和 3D 打印过程（从左到右）；b）丁苯橡胶立方体 —— 硫化前（左）和硫化后（右）；c）溶剂辅助丁基橡胶 3D 打印示意图（上）和含 10%（质量分数）纳米粘土的丁基橡胶复合支架（下）；d）静态混合 3D 打印头（左）和硅橡胶人体心脏模型部件（右）。

该技术适用于硅基材料、可实现性能可调，在医疗器械（如仿生器官模型、柔性导管）领域应用潜力大。星芒科学仪器的加工服务解决方案，可根据企业与机构的双相体系打印需求，提供定制化设备调试与工艺优化，加速医疗应用原型开发。

热基体系

通过热能引发交联，包括材料挤出与激光辅助固化，原材料多为丝状部分交联或可固化弹性体。

材料挤出：加热使材料成型，如 Periyasamamy 等人用全氟聚醚调整氟弹性体粘度，改善可打印性；Badini 等人在热塑性聚氨酯（TPU）中掺入 20% 磨碎轮胎橡胶（GTR），提升力学性能。
激光辅助：Chansoda 等人改造打印机，挤出橡胶胶乳时激光实时交联，制造鞋底；Srisawadi 等人用激光选择性固化预硫化胶乳，部件性能接近传统工艺产品。

热基 3D 打印方法：a）激光辅助材料挤出设备制造鞋底过程；b）双材料挤出示意图 —— 选择性挤出生橡胶和热塑性浇注材料，随后在高压釜中高压固化，再移除可重复使用的浇注材料；c）激光辅助槽式方法示意图（左）和过程中（右）—— 天然橡胶胶乳经激光束选择性曝光实现局部交联；d）柱塞式挤出头示意图 —— 通过施加压力挤出高粘度打印材料。

热基方法制造的部件：a）材料挤出制备的丁腈橡胶（NBR）样品层间结合问题；b）热塑性聚氨酯（左）和热塑性聚氨酯 – 废轮胎橡胶复合部件（右）；c）炭黑填充天然橡胶部件；d）天然橡胶胶乳支架。

该技术成本低、可兼容再生材料，适合批量生产医疗辅助部件（如康复器械配件）。星芒科学仪器的加工设备能适配热基体系的温度控制与挤出精度要求，同时其检测技术可监控打印部件的力学性能与生物安全性，满足医疗应用标准。

应用与挑战

主要应用领域

生物医学设备：生物相容性 3D 打印弹性体可制作假体、组织工程支架。Abdollahi 等人制造患者特异性聚二甲基硅氧烷（PDMS）腕带，用于脉搏血氧仪；Guo 等人开发导电可回收复合材料，制作摩擦纳米发电机。在此领域，星芒科学仪器的产品体系覆盖再生医学、生物材料、医疗器械、医工交叉等研究方向，能为从材料研发到设备制造的全流程提供支持，例如为假体打印提供专用试剂耗材，为支架性能检测提供实验仪器。

3D 打印热固性弹性体（TSEs）在医疗设备中的应用案例：a）槽式光聚合制备的定制指套 ——3D 打印传感器的力学性能、人体运动监测应用及定制指套；b）生物医学应用 —— 降解过程中的力学性能、患者特异性心脏模型和薄壁管状结构；c）聚二甲基硅氧烷弹性体腕带 —— 尺寸精度、患者特异性可穿戴脉搏血氧仪及原始信号输出；d）动态热固性弹性体可穿戴传感器 —— 回收循环中的力学性能、使用中的可穿戴传感器。

软机器人：弹性体的柔韧性与耐久性适用于软执行器、抓手。Zhu 等人制造昆虫尺度软机器人，速度达 4 倍体长 / 秒；Cai 等人开发自修复透明导电弹性体，用于路面检测传感器。

应用案例：a）光聚合物抓手的力学性能及使用过程；b）硅橡胶弹性体抓手的力学性能及使用过程；c）自修复弹性体抓手的应力 – 应变曲线及应用过程；d）介电弹性体执行器制备的昆虫尺度软机器人 —— 介电墨水的力学性能及应用案例；e）用于路面粗糙度智能检测的透明导电弹性体传感器。

密封件与防护装备：Periyasamamy 等人用激光辅助打印特种氟弹性体密封件；Korger 等人将弹性体直接打印到纺织品上，制作防护装备，提升耐磨性与耐洗性。

a）采用氟弹性体复合物和激光辅助 3D 打印方法的特种密封件 —— 复合物的极限应变、制造过程及密封件；b）材料挤出基 3D 打印制备的丁腈橡胶（NBR）基杆密封件 ——50% 应变下的应力、密封件及摩擦力随压力变化曲线；c）直接 3D 打印到纺织品上的弹性体（用于个人防护装备）—— 附着力、虚拟模型及 3D 打印原型；d）自修复聚氨酯弹性体牵引链 —— 拉伸应力随恢复温度变化曲线、案例研究及牵引测试；e）含矫形鞋垫的足部矫形器 —— 基于解剖学的设计、3D 模型及打印原型

核心挑战

技术层面：光聚合基技术成型尺寸有限，双相体系层间结合差，材料挤出技术精度低。星芒科学仪器通过 3D 打印底层技术创新，正逐步优化这些问题，例如研发更高精度的挤出设备、更稳定的双相混合系统。

性能表征：现有研究多关注拉伸性能，密封力、耐磨性等应用特定性能测试较少，全面力学表征不足。星芒科学仪器的检测技术可补充这一短板，提供多维度性能检测方案，助力完善热固性弹性体打印部件的性能评估体系。

可持续性与环境考量

热固性弹性体因不可逆交联，生命周期结束后难回收，可持续发展需从两方面突破：

材料设计：采用生物基基体（性能接近合成橡胶）、生物炭（替代高能耗炭黑）、脱硫 GTR（回收废轮胎）；开发动态交联材料（如 vitrimer、共价适应性网络），实现可回收与自修复。

技术影响：增材制造虽低废弃物、支持按需生产，但小批量生产能耗高于传统工艺，且释放细颗粒物与 VOCs，需通过优化结构、分布式制造降低能耗，加强安全管控。

在生物医用材料可持续发展中，星芒科学仪器可提供环保型试剂耗材研发支持，同时其节能型加工设备能减少生产过程中的能耗与污染，契合绿色医疗制造趋势。

3D 打印热固性弹性体的主要可持续性方面：原材料选择的潜在环保考量（左），以及 3D 打印技术从环境角度出发的总体优势与劣势（右）。

总结与未来展望

当前热固性弹性体 3D 打印以技术与配方开发为核心，三类技术各有优劣：光聚合基分辨率高，双相体系适用于硅基材料，材料挤出成本低，均需后处理。星芒科学仪器凭借在生物医用材料 3D 打印领域的全链条服务能力，为技术落地与产业应用提供了关键支撑，尤其在医疗级产品研发中发挥重要作用。未来需加强应用特定性能测试，推动技术落地。

新兴趋势包括：整合自修复、形状记忆等智能材料；发展生物基、可回收材料；推进多材料与混合增材制造；结合 AI 与机器学习优化工艺、筛选材料配方。星芒科学仪器可依托底层技术创新，紧跟这些趋势，例如开发适配智能材料的打印设备、融入 AI 算法的检测系统，持续为热固性弹性体 3D 打印技术在医疗领域的突破注入动力。