4D打印高強度形狀記憶聚合物
時間：2024-09-06 11:01 來源：EFL生物3D打印與生物制造 作者：admin 閱讀：次
與其他能用于4D打印的軟材料相比，形狀記憶聚合物（SMP）具有更高的剛度，并且能與各種打印技術兼容。其中，光固化SMP與投影式光固化打印技術兼容，可以打印具有復雜幾何形狀且高分辨率的SMP結構。然而，光固化SMP在機械性能方面存在極大的局限性，這限制了其應用范圍。
近期，來自南方科技大學的葛锜團隊、西北工業大學的張彪團隊、浙江大學的曲紹興團隊合作提出了一種具有優異機械性能且可光固化的材料體系，該材料體系具有極強的的形變性能、抗疲勞性，并與DLP打印方法兼容，能夠實現高分辨率、高度復雜的3D結構制造，其在加熱時可以表現出較為明顯的形狀記憶能力（圖1）。相關論文“Mechanically Robust and UV-Curable Shape-Memory Polymers for Digital Light Processing Based 4D Printing”發表于“Advanced Materials”期刊上。
首先，研究人員提出了一種具有優異機械性能的SMP材料體系（tBA-AUD SMP），該材料體系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）組成。為了探索影響tBA-AUD SMP材料體系粘度和光聚合程度的因素，實驗人員通過改變AUD的含量對其進行了打印測試（圖2）。
接著，為了研究tBA-AUD SMP的熱機械性能，實驗人員對不同AUD含量的tBA-AUD SMP進行了動態力學分析，從而確定了其流變學溫度掃描結果和玻璃化轉變溫度（Tg）（圖3）。
然而，能夠使tBA-AUD SMP轉變為高彈性狀態的Tg要比理論的高30 °C。為了探索Tg升高的原因，實驗人員將AUD含量從0wt%增加到50 wt%，從而得知AUD含量對tBA-AUD SMP拉伸測試時的遲滯行為和殘余應變有非常大的影響。隨后，實驗人員進行了形狀記憶和耐疲勞性試驗，以檢查AUD含量對tBA-AUD SMP形狀記憶行為的影響以及該材料優異的機械重復性和耐疲勞性（圖4）。
為了探索tBA-AUD SMP高變形性和抗疲勞性的具體原因，實驗人員使測試件在80℃下進行負載變形，再使其在20℃下釋載定型，最后加熱測試件可自然恢復到初始狀態。另外，實驗人員進行了凝膠滲透色譜測試、傅里葉紅外光譜等一系列測試，從而將其高變形性和抗疲勞性歸因于AUD交聯劑的高分子量和氫鍵的綜合效應（圖5）。
最后，為了證明凝膠狀態下的tBA-AUD SMP具有極強的形變能力，實驗人員對比了使用不同3D打印技術制造出的SMP測試件的斷裂伸長率（圖6），并利用DLP技術制造出“L”型梁，將其彎曲成“I”型和“U”型后，加熱至80℃可恢復原狀（圖7）。
綜上所述，實驗人員設計了一種可光固化的高強度形狀記憶聚合物（tBA-AUD SMP）材料體系，其具有高形變性及優異的抗疲勞性能，能與DLP打印方法兼容，該材料體系能夠實現高分辨率、高度復雜3D結構的制造，其在加熱時可發生明顯的形狀變化。tBA-AUD SMP在航空航天、智能家具和軟機器人等領域具有巨大的應用潛力。
文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202101298
近期，來自南方科技大學的葛锜團隊、西北工業大學的張彪團隊、浙江大學的曲紹興團隊合作提出了一種具有優異機械性能且可光固化的材料體系，該材料體系具有極強的的形變性能、抗疲勞性，并與DLP打印方法兼容，能夠實現高分辨率、高度復雜的3D結構制造，其在加熱時可以表現出較為明顯的形狀記憶能力（圖1）。相關論文“Mechanically Robust and UV-Curable Shape-Memory Polymers for Digital Light Processing Based 4D Printing”發表于“Advanced Materials”期刊上。
圖1 SMP的DLP打印測試
首先，研究人員提出了一種具有優異機械性能的SMP材料體系（tBA-AUD SMP），該材料體系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）組成。為了探索影響tBA-AUD SMP材料體系粘度和光聚合程度的因素，實驗人員通過改變AUD的含量對其進行了打印測試（圖2）。
圖2 tBA-AUD SMP前驅體溶液的特征和打印測試
接著，為了研究tBA-AUD SMP的熱機械性能，實驗人員對不同AUD含量的tBA-AUD SMP進行了動態力學分析，從而確定了其流變學溫度掃描結果和玻璃化轉變溫度（Tg）（圖3）。
圖3 不同AUD濃度下的tBA-AUD SMP的熱力學性能分析
然而，能夠使tBA-AUD SMP轉變為高彈性狀態的Tg要比理論的高30 °C。為了探索Tg升高的原因，實驗人員將AUD含量從0wt%增加到50 wt%，從而得知AUD含量對tBA-AUD SMP拉伸測試時的遲滯行為和殘余應變有非常大的影響。隨后，實驗人員進行了形狀記憶和耐疲勞性試驗，以檢查AUD含量對tBA-AUD SMP形狀記憶行為的影響以及該材料優異的機械重復性和耐疲勞性（圖4）。
圖4 tBA-AUD SMP的熱機械性能測試
為了探索tBA-AUD SMP高變形性和抗疲勞性的具體原因，實驗人員使測試件在80℃下進行負載變形，再使其在20℃下釋載定型，最后加熱測試件可自然恢復到初始狀態。另外，實驗人員進行了凝膠滲透色譜測試、傅里葉紅外光譜等一系列測試，從而將其高變形性和抗疲勞性歸因于AUD交聯劑的高分子量和氫鍵的綜合效應（圖5）。
圖5 tBA-AUD SMP拉伸性的變形機制
最后，為了證明凝膠狀態下的tBA-AUD SMP具有極強的形變能力，實驗人員對比了使用不同3D打印技術制造出的SMP測試件的斷裂伸長率（圖6），并利用DLP技術制造出“L”型梁，將其彎曲成“I”型和“U”型后，加熱至80℃可恢復原狀（圖7）。
圖6 高變形tBA-AUD SMP及其在智能家居中的應用
圖7 演示tBA-AUD SMP在航空航天中的應用
綜上所述，實驗人員設計了一種可光固化的高強度形狀記憶聚合物（tBA-AUD SMP）材料體系，其具有高形變性及優異的抗疲勞性能，能與DLP打印方法兼容，該材料體系能夠實現高分辨率、高度復雜3D結構的制造，其在加熱時可發生明顯的形狀變化。tBA-AUD SMP在航空航天、智能家具和軟機器人等領域具有巨大的應用潛力。
文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202101298
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