本帖最后由 小軟熊 于 2021-9-14 16:26 編輯
來源: 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脂,。納米顆粒可以賦予材料功能,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,,來自中國科學(xué)院的Jia-Tao Miao,、Tsung Yu Chou和Lixin Wu提出了一種通過犧牲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)成光固化樹脂系統(tǒng),,通過犧牲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,。
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圖1 ACMO/TBMMA1樹脂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)的過程
如圖2所示,,樹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樹脂的穿透深度從379μm降至226μm,。通過流變試驗(yàn)比較了ACMO和ACMO/TBMMA1樹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儲能模量,,表明固化過程中反應(yīng)速率和固化樹脂硬度的提高,。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)槠滠浕覠o法保持其結(jié)構(gòu),。不同的是,ACMO/TBMMA1的儲能模量從玻璃態(tài)逐漸降低到橡膠平臺,,表現(xiàn)出典型的交聯(lián)聚合物行為,。
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圖2 ACMO/TBMMA1樹脂3D打印示意圖
如圖3所示,ACMO/TBMMA1樹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樹脂在水解后可以完全溶解。
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圖3 犧牲3D打印模具制造3D智能復(fù)合結(jié)構(gòu)的過程
如圖4所示,,通過DMA通過儲能模量和tanδ作為溫度的函數(shù)來評估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)度和斷裂伸長率,。其背后的本質(zhì)是環(huán)氧樹脂中剛性頂體結(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)形狀記憶過程可以通過調(diào)整近紅外光斑的大小和位置來實(shí)現(xiàn),,這將有助于智能材料完成更復(fù)雜的指令。
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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)的自愈和抓取過程來展示精細(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,。
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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)合材料的逐級定點(diǎn)形狀記憶和自愈過程,。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
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