4D列印是一種新興的製造技術,能够使3D列印的結構響應環境刺激而在“時間”內更改配寘。與用於4D列印的其他軟活性資料相比,形狀記憶聚合物(SMP)具有更高的剛度,並且與各種3D列印科技相容。其中,紫外線(UV)固化SMP與基於數位光處理(DLP)的3D列印相容,以製造具有複雜幾何形狀和高解析度的基於SMP的結構。但是,可紫外線固化的SMP在機械效能方面有局限性,這極大地限制了它們的應用範圍。
最近,南方科技大學葛錡副教授團隊報導了一種機械堅固且可紫外線固化的SMP系統,該系統高度變形,耐疲勞並與基於DLP的3D列印相容,以製造高解析度(最大2µm),高度複雜的3D結構,該結構顯示加熱時的形狀變化(高達1240%)。更重要的是,已開發的SMP系統具有出色的抗疲勞性,並且可以重複加載超過10000次。機械强度高且可紫外線固化的SMP的開發顯著改善了基於SMP的4D列印結構的機械效能,從而使其可用於航空航太,智慧傢俱和軟機器人等工程應用。相關論文以題為發表在《AdvancedMaterials》上。
【主圖導讀】
圖1强機械的tBA-AUD SMP,用於基於DLP的4D列印。a)高度可拉伸的tBA-AUD SMP狗骨樣品的形狀記憶週期快照。b)基於DLP的3D列印設備的示意圖。c)用tBA–AUD SMP印刷的寬度為2µm的網格圖案的顯微影像。d)用tBA–AUD SMP印刷的開爾文泡沫。e)通過拉伸開爾文泡沫來證明形狀記憶效果。f)通過壓縮和折疊開爾文泡沫來證明形狀記憶效果。
圖2tBA-AUD SMP前體溶液的詳細資訊和特性。a)用於製備tBA-AUD SMP前體溶液的AUD,tBA,IBOA和TPO的詳細化學結構。b–d)基於DLP的3D列印過程中的光聚合過程插圖。b)3D列印之前的tBA–AUD SMP前體解決方案。c)3D列印後的tBA–AUD SMP網絡結構。d)交聯的tBA-AUD SMP的詳細化學結構。e)tBA-AUD SMP前體溶液的粘度與AUD含量的關係。f)相對於AUD含量,tBA-AUD SMP變化的平衡凝膠分數。g)在不同的AUD含量下,tBA-AUD SMP的固化時間與紫外線强度的關係。
圖3tBA–AUD SMP系統的熱機械效能。a)從DMA測試中選取的玻璃化轉變溫度(Tg)和橡膠模量與AUD含量的關係。b)不同AUD含量的tBA-AUD SMP的應力-應變行為。c)楊氏模量和斷裂伸長率與AUD含量的關係。d)具有30 wt%AUD含量的tBA-AUD SMP樣品的代表性形狀記憶行為。e)形狀固定率Rf和形狀恢復率Rr與AUD含量的關係。f)含10 wt%AUD的tBA-AUD SMP樣品的疲勞試驗。
圖4 tBA-AUD SMP系統可拉伸性的變形機制。a)變形機理圖。b)GPC測試結果。c,d)FTIR光譜分別在1800-1650 cm-1和3500-3200 cm-1範圍內。e)應力鬆弛測試結果。f)比較不同處理後的一個樣品的標距長度。g)新的tBA-AUD SMP樣品與萬次疲勞試驗後的單軸拉伸試驗的比較。
圖5高度變形的tBA-AUD SMP及其在智慧傢俱中的工程應用。a)總結適用於不同3D列印科技的SMP斷裂伸長率的圖表,以比較tBA-AUD SMP與先前報導的3D可列印SMP的機械效能。b)演示顯示了由tBA-AUD SMP製成的厚“L”形光束的大變形。c)(b)中情况的相應有限元類比。d)印刷後的形狀的印刷SMP晶格鉸鏈快照。e)臨時折疊形狀的印刷SMP晶格鉸鏈快照。f)智慧錶的快照,該智慧錶由八個SMP網格鉸鏈組成,這些鉸鏈連接了案頭和四個支脚。g)將智慧錶程式設計為2D緊湊形狀。h)演示顯示智慧錶能够支持重負載。
圖6演示了tBA–AUD SMP在航空航太中的應用。a–c)具有微通道的SMP智慧鉸鏈的設計插圖,電阻絲可以穿過該通道進行焦耳加熱。d–g)所列印的SMP智慧鉸鏈的相應快照。h–k)推斷的影像捕獲了焦耳加熱啟動的恢復。l–n)演示基於SMP智慧鉸鏈的可展開太陽能電池板。l)具有緊湊形狀的太陽能電池板的航天器。m)太陽能電池板的部署過程。n)充分部署的太陽能電池板,可發電以為電動機供電並點亮LED。
【總結】
團隊已經報導了一種機械堅固且可紫外線固化的形狀記憶聚合物系統,該系統與基於DLP的3D列印系統相容,可製造具有高解析度和高度複雜幾何形狀的4D列印結構。tBA-AUD SMP系統主要由作為線性鏈構建劑的tBA和作為交聯劑的AUD組成。AUD交聯劑賦予tBA-AUD SMP系統很高的可變形性和抗疲勞性,囙此列印的樣品可以拉伸多達1240%,並重複加載超過10000次。團隊進行了全面的實驗,以研究AUD交聯劑對熱機械效能的影響,例如tBA-AUD SMP系統的動態機械效能,應力-應變關係,形狀記憶行為和抗疲勞性。團隊還提出了高度可變形的tBA-AUD SMP系統的變形機制,這是AUD交聯劑的高分子量與氫鍵共同作用的結果。團隊進行了實驗以成功證明該假設。最後,展示了兩個應用程序來展示tBA-AUD SMP在智慧傢俱和航空航太領域的潜力。
參考文獻:doi.org/10.1002/adma.202101298
原文刊載於【高分子材料科學】公眾號
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