AM：4D打印高強(qiáng)度形狀記憶聚合物

來源：EngineeringForLife

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(shù)兼容,。其中，光固化SMP與投影式光固化打印技術(shù)兼容,，可以打印具有復(fù)雜幾何形狀且高分辨率的SMP結(jié)構(gòu),。然而，光固化SMP在機(jī)械性能方面存在極大的局限性,，這限制了其應(yīng)用范圍,。

近期，來自南方科技大學(xué)的葛锜團(tuán)隊(duì),、西北工業(yè)大學(xué)的張彪團(tuán)隊(duì),、浙江大學(xué)的曲紹興團(tuán)隊(duì)合作提出了一種具有優(yōu)異機(jī)械性能且可光固化的材料體系，該材料體系具有極強(qiáng)的的形變性能,、抗疲勞性,，并與DLP打印方法兼容，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率,、高度復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)制造,，其在加熱時(shí)可以表現(xiàn)出較為明顯的形狀記憶能力（圖1）。相關(guān)論文“Mechanically Robust and UV-Curable Shape-Memory Polymers for Digital Light Processing Based 4D Printing”發(fā)表于“Advanced Materials”期刊上,。

圖1 SMP的DLP打印測(cè)試

首先,，研究人員提出了一種具有優(yōu)異機(jī)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(shí)驗(yàn)人員通過改變AUD的含量對(duì)其進(jìn)行了打印測(cè)試（圖2）。

圖2 tBA-AUD SMP前驅(qū)體溶液的特征和打印測(cè)試

接著,，為了研究tBA-AUD SMP的熱機(jī)械性能,，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)不同AUD含量的tBA-AUD SMP進(jìn)行了動(dòng)態(tài)力學(xué)分析，從而確定了其流變學(xué)溫度掃描結(jié)果和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）（圖3）,。

圖3 不同AUD濃度下的tBA-AUD SMP的熱力學(xué)性能分析

然而,，能夠使tBA-AUD SMP轉(zhuǎn)變?yōu)楦邚椥誀顟B(tài)的Tg要比理論的高30 °C。為了探索Tg升高的原因，實(shí)驗(yàn)人員將AUD含量從0wt%增加到50 wt%,，從而得知AUD含量對(duì)tBA-AUD SMP拉伸測(cè)試時(shí)的遲滯行為和殘余應(yīng)變有非常大的影響,。隨后，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了形狀記憶和耐疲勞性試驗(yàn),，以檢查AUD含量對(duì)tBA-AUD SMP形狀記憶行為的影響以及該材料優(yōu)異的機(jī)械重復(fù)性和耐疲勞性（圖4）,。

圖4 tBA-AUD SMP的熱機(jī)械性能測(cè)試

為了探索tBA-AUD SMP高變形性和抗疲勞性的具體原因，實(shí)驗(yàn)人員使測(cè)試件在80℃下進(jìn)行負(fù)載變形,，再使其在20℃下釋載定型,，最后加熱測(cè)試件可自然恢復(fù)到初始狀態(tài)。另外,，實(shí)驗(yàn)人員進(jìn)行了凝膠滲透色譜測(cè)試、傅里葉紅外光譜等一系列測(cè)試,，從而將其高變形性和抗疲勞性歸因于AUD交聯(lián)劑的高分子量和氫鍵的綜合效應(yīng)（圖5）,。

圖5 tBA-AUD SMP拉伸性的變形機(jī)制

最后，為了證明凝膠狀態(tài)下的tBA-AUD SMP具有極強(qiáng)的形變能力,，實(shí)驗(yàn)人員對(duì)比了使用不同3D打印技術(shù)制造出的SMP測(cè)試件的斷裂伸長(zhǎng)率（圖6）,，并利用DLP技術(shù)制造出“L”型梁，將其彎曲成“I”型和“U”型后,，加熱至80℃可恢復(fù)原狀（圖7）,。

圖6 高變形tBA-AUD SMP及其在智能家居中的應(yīng)用

圖7 演示tBA-AUD SMP在航空航天中的應(yīng)用

綜上所述，實(shí)驗(yàn)人員設(shè)計(jì)了一種可光固化的高強(qiáng)度形狀記憶聚合物（tBA-AUD SMP）材料體系,，其具有高形變性及優(yōu)異的抗疲勞性能,，能與DLP打印方法兼容，該材料體系能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率,、高度復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的制造,，其在加熱時(shí)可發(fā)生明顯的形狀變化。tBA-AUD SMP在航空航天,、智能家具和軟機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力,。

文章來源：https://doi.org/10.1002/adma.202101298