宾夕法尼亚州立大学研究人员开发的一种新型3D打印技术将首次实现快速原型设计和测试聚合物膜的成型，以提高性能。

离子交换膜用于许多类型的能量应用，例如燃料电池和某些电池，以及水净化，脱盐，去除重金属和食品加工。大多数离子交换膜都是薄的平板，类似于厨房抽屉中的保鲜膜。然而，最近的工作表明，通过在2D膜表面上创建3D图案，出现了有趣的流体动力学特性，其可以改善离子传输或减轻污垢，这是许多膜应用中的严重问题。

目前，制造这些图案化的膜，也称为成型膜，涉及用所需图案蚀刻硅模具，浇注聚合物并等待直至其硬化的费力工艺。该过程既耗时又昂贵，并且产生单一模式类型。

“我们认为，如果我们可以使用3D打印来制造我们的定制合成离子交换膜，我们可以制作任何类型的模式，我们可以快速制作，”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副教授Michael Hickner说。

在今天在线发表于化学学会期刊ACS应用材料与接口的论文中，Hickner的团队描述了定制3D光刻印刷工艺的开发，该工艺在概念上类似于当前称为立体光刻的3D工艺。该团队开发了一种可光固化的离子聚合物混合物，并将该混合物暴露在光投射器下以硬化基层。然后，他们将更多的聚合物添加到基层中，并在新材料上投射图案以选择性地硬化表面。表面图案使膜的导电率增加了两倍或三倍。

“电池就像电池或燃料电池中的电阻一样，”希克纳说。“如果你可以将阻力降低两到三倍，你就会得到一些有用的东西。”

主要作者和博士。材料科学与工程的候选人Jiho Seo补充道，“虽然之前已对表面图案膜进行了研究，但这是这些结构的第一个3D打印示例，第一个真正以定量方式解释电阻降低的模型。简单的并行阻力模型描述了模式对降低这些新膜阻力的影响。这种洞察力为我们提供了一种设计工具，可以继续创新并创造新的模式，以进一步改进，同时改变材料的内在化学性质。“

该团队将继续优化其印刷的膜的几何形状和化学性质，并学习印刷迄今为止从未印刷过的膜和其他材料的新材料。

“我们希望将我们所做的基础化学和材料科学与3D打印行业真正擅长的工程和快速设计迭代联系起来，”Hickner总结道。

除了Seo和Hickner，Douglas Kushner，Ph.D。材料科学与工程专业的学生为题为“微图案阴离子交换膜的3D打印”的论文做出了贡献。