CEJ：可犧牲DLP打印模具構(gòu)建自修復(fù)3D智能結(jié)構(gòu)

來(lái)源： EngineeringForLife

基于數(shù)字光處理（DLP）3D打印的3D智能結(jié)構(gòu)為智能設(shè)備生產(chǎn)提供了新的解決方案，但材料類別僅限于光活性樹(shù)脂,。納米顆�,？梢再x予材料功能，而高含量或紫外線吸收的納米顆粒與DLP 3D打印不兼容,。

近期,，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院的Jia-Tao Miao、Tsung Yu Chou和Lixin Wu提出了一種通過(guò)犧牲3D打印模具工藝制備3D智能復(fù)合結(jié)構(gòu)的新方法,。在犧牲模具后,，獲得了環(huán)氧樹(shù)脂/碳納米管復(fù)合材料（EPSS/CNTs）的精細(xì)三維智能結(jié)構(gòu)。本研究為制備具有精密結(jié)構(gòu)和多功能的三維智能復(fù)合材料提供了獨(dú)特的策略，將極大地拓展三維智能結(jié)構(gòu)在前沿領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域,。相關(guān)論文“3D printing of sacrificial thermosetting mold for building near-infrared irradiation induced self-healable 3D smart structures”發(fā)表于雜志Chemical Engineering Journal上,。

如圖1所示，將丙烯酸酯單體（TBMMA）和單官能團(tuán)4-丙烯酰嗎啉（ACMO）與光引發(fā)劑混合Irgacure 819構(gòu)成光固化樹(shù)脂系統(tǒng),，通過(guò)犧牲3D打印模具工藝構(gòu)建3D智能復(fù)合結(jié)構(gòu),，采用DLP 3D打印技術(shù)首次制作出復(fù)雜的中空模具。

圖1 ACMO/TBMMA1樹(shù)脂3D打印示意圖和犧牲3D打印模具制造3D智能復(fù)合結(jié)構(gòu)的過(guò)程

如圖2所示,，樹(shù)脂的粘度和滲透深度（hp）不僅決定印刷參數(shù),，而且影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。ACMO/TBMMA1樹(shù)脂的穿透深度從379μm降至226μm,。通過(guò)流變?cè)囼?yàn)比較了ACMO和ACMO/TBMMA1樹(shù)脂的紫外光固化行為,。ACMO/TBMMA1的曲線顯示出更高的斜率和更高的平臺(tái)儲(chǔ)能模量，表明固化過(guò)程中反應(yīng)速率和固化樹(shù)脂硬度的提高,。應(yīng)用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)進(jìn)一步證實(shí)了該化合物的交聯(lián)結(jié)構(gòu)ACMO/TBMMA1,。線性聚合物（ACMO）的試驗(yàn)在約170°C時(shí)中斷，因?yàn)槠滠浕�且無(wú)法保持其結(jié)構(gòu),。不同的是,，ACMO/TBMMA1的儲(chǔ)能模量從玻璃態(tài)逐漸降低到橡膠平臺(tái)，表現(xiàn)出典型的交聯(lián)聚合物行為,。

圖2 ACMO/TBMMA1樹(shù)脂3D打印示意圖

如圖3所示,，ACMO/TBMMA1樹(shù)脂中的縮醛基在乙酸溶液中浸泡時(shí)水解成具有醛基和游離季戊四醇的線性聚丙烯酸酯。由于分解后得到的線性聚丙烯酸酯是水溶性的,，ACMO/TBMMA1樹(shù)脂在水解后可以完全溶解,。

圖3 犧牲3D打印模具制造3D智能復(fù)合結(jié)構(gòu)的過(guò)程

如圖4所示，通過(guò)DMA通過(guò)儲(chǔ)能模量和tanδ作為溫度的函數(shù)來(lái)評(píng)估EPSS/CNTs的熱機(jī)械性能,。EPSS/CNTs的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出強(qiáng)而堅(jiān)韌的拉伸行為和屈服點(diǎn),。EPSS/CNTs具有較高的力學(xué)性能，具有較高的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,。其背后的本質(zhì)是環(huán)氧樹(shù)脂中剛性頂體結(jié)構(gòu)和柔性脂肪族胺的結(jié)合,。由于具有固定的交聯(lián)點(diǎn)和玻璃化轉(zhuǎn)變行為，EPSS/CNTs具有形狀記憶能力,。EPSS/CNTs表現(xiàn)出良好的形狀記憶性能和循環(huán)穩(wěn)定性,。環(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)結(jié)構(gòu)使其固定,，剛性段提供的高恢復(fù)應(yīng)力幫助其恢復(fù)原始形狀,。由于EPSS/CNTs中存在碳納米管，近紅外光可以轉(zhuǎn)化為熱能加熱復(fù)合材料,。與直接加熱不同,，遠(yuǎn)程分步定點(diǎn)形狀記憶過(guò)程可以通過(guò)調(diào)整近紅外光斑的大小和位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，這將有助于智能材料完成更復(fù)雜的指令。

圖4 EPSS/CNTs的性質(zhì)和功能

EPSS/CNTs的自愈合機(jī)制如圖5所示,。在劃痕處,，二硫鍵斷裂并以另一種方式交換連接。在碳納米管的輔助下,，EPSS/CNTs通過(guò)光熱轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)了近紅外光照射下的局部加熱,。當(dāng)該區(qū)域加熱到160°C時(shí)，二硫鍵可快速進(jìn)行可逆交換以釋放應(yīng)力,，從而實(shí)現(xiàn)劃痕的自愈合,。使用連續(xù)的自愈和抓取過(guò)程來(lái)展示精細(xì)愈合的結(jié)構(gòu)，直觀地證明愈合的EPSS/CNTs復(fù)合材料的良好恢復(fù)機(jī)械性能,。

圖5 EPSS/CNTs的自愈合機(jī)制

綜上所述,，本研究合成了具有可水解縮醛基團(tuán)的雙功能TBMMA，并將其用作ACMO的交聯(lián)劑,，通過(guò)DLP 3D打印構(gòu)建犧牲熱固性模具,。TBMMA的加入同時(shí)提高了印刷精度和高溫下的尺寸穩(wěn)定性。3D打印模具可在溫和的醋酸溶液條件下水解,。通過(guò)鑄造具有動(dòng)態(tài)二硫鍵的EPSS/CNTs復(fù)合材料并犧牲3D打印模具,，獲得了可自修復(fù)的3D智能結(jié)構(gòu)。介紹了近紅外光觸發(fā)三維智能復(fù)合材料的逐級(jí)定點(diǎn)形狀記憶和自愈過(guò)程,。本研究為采用DLP 3D打印技術(shù)制備具有精密結(jié)構(gòu)和多功能的3D智能復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了獨(dú)特的策略,，將極大地拓展3D智能結(jié)構(gòu)在尖端領(lǐng)域的應(yīng)用領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

Jia-Tao Miao, Meiying Ge, Yadong Wu, Shuqiang Peng, Longhui Zheng, Tsung Yu Chou, LixinWu. 3D printing of sacrificial thermosetting mold for building near-infrared irradiation induced self-healable 3D smart structures. Chemical Engineering Journal.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131580