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青島科大史新妍團隊在3D打印可生物降解納米復(fù)合材料研究獲進(jìn)展

3D打印動態(tài)
2021
12/22
15:36
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來源:青島科技大學(xué)

可生物降解納米復(fù)合材料是一種從使用到廢棄均能很好的順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展理念的環(huán)境友好型材料。采用納米粒子填充改性聚合物是納米復(fù)合材料高性能化和多功能化發(fā)展的重要方向,。然而多數(shù)納米粒子改性復(fù)合材料方法只針對于增強或增韌單一方向進(jìn)行改善,,且成型需要依賴于模具,可設(shè)計程度較低,。熔融沉積成型法(FDM)作為熱塑性聚合物常用的3D打印方法已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,。通過將熱塑性聚合物加熱熔化后按特定程序逐層堆積在平臺上,具有操作簡便,、打印制品性能高和易于進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)控等突出優(yōu)點


近日,,青島科技大學(xué)高分子學(xué)院史新妍教授團隊在可控“強-韌”轉(zhuǎn)變高性能納米復(fù)合材料3D打印方面取得新進(jìn)展,團隊相關(guān)工作以“3D printing nanocomposites with controllable “strength-toughness” transition: Modification of SiO2 and construction of Stereocomplex Crystallites”為題發(fā)表于期刊《Composites Science and Technology》(一區(qū)TOP期刊,,IF=8.5)上,,該論文以青島科技大學(xué)為唯一通訊單位,博士生呂陽為第一作者,,史新妍教授為通訊作者,。

圖1. 可生物降解納米復(fù)合材料的SEM照片(a. SiO2-g-PDLA-0, b. SiO2-g-PDLA-1, c. SiO2-g-PDLA-3, d. SiO2-g-PDLA-5)

圖2. 可生物降解納米復(fù)合材料頻率掃描曲線(a. 180℃,b. 210℃)

圖3. 3D打印可生物降解納米復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線(b. 噴頭溫度180℃, c. 噴頭溫度210℃)

課題組首先采用本體聚合方法在SiO2表面包覆低分子量右旋聚乳酸(SiO2-g-PDLA),,實現(xiàn)SiO2在可生物降解共混物(左旋聚乳酸/聚己二酸-對苯二甲酸丁二醇酯(PLLA/PBAT))中納米分散的同時構(gòu)筑均勻分布在基體中的立構(gòu)復(fù)合晶(立構(gòu)復(fù)合晶由SiO2表面包覆的PDLA和基體中的PLLA構(gòu)成),。通過3D打印的噴頭溫度作為“開關(guān)”控制納米復(fù)合材料中立構(gòu)復(fù)合晶的存在和消失,,以此來實現(xiàn)3D打印納米復(fù)合材料的“強-韌”轉(zhuǎn)變。SEM圖片中可以看出(圖1所示),,SiO2-g-PDLA在復(fù)合材料中為納米分散,,且加入5wt%時也并未發(fā)生團聚。流變學(xué)測試表明(圖2所示),,180℃下,,隨著SiO2-g-PDLA含量的增加,復(fù)合材料的儲能模量和復(fù)數(shù)粘度均逐漸增加,,此時復(fù)合材料內(nèi)均勻分布的立構(gòu)復(fù)合晶和SiO2-g-PDLA填料共同作為增強體,。而210℃下,隨著SiO2-g-PDLA含量的增多,,復(fù)合材料儲能模量和復(fù)數(shù)粘度均逐漸降低,,這是由于SiO2表面負(fù)載的低分子量PDLA在流動過程中起增塑作用導(dǎo)致的。3D打印試樣的拉伸性能測試中可以看出(圖3所示),,通過控制噴頭溫度可以實現(xiàn)3D打印制品的“強-韌”轉(zhuǎn)變,。

圖4. 3D打印調(diào)控可生物降解納米復(fù)合材料“強-韌”轉(zhuǎn)變機理圖

從機理圖中可以看出(圖4所示),3D打印噴嘴溫度可以充當(dāng)可生物降解納米復(fù)合材料“強-韌”轉(zhuǎn)變的開關(guān),。當(dāng)噴嘴溫度為180℃時,,復(fù)合材料內(nèi)均勻分布的立構(gòu)復(fù)合晶和SiO2填料作為增強體,極大的增強了復(fù)合材料的拉伸強度,;當(dāng)噴嘴溫度為210℃時,,立構(gòu)復(fù)合晶熔融,SiO2表面包覆的PDLA充當(dāng)?shù)头肿恿吭鏊軇�,,使�?fù)合材料韌性提高,。

該工作得到山東省自然科學(xué)基金,、德國Technische Universität Kaiserslautern大學(xué)Alois K. Schlarb教授,,Leyu Lin教授的支持。


論文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2021.109167




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