4D打印高強(qiáng)度形狀記憶聚合物

來源： EFL生物3D打印與生物制造

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的含量對其進(jìn)行了打印測試（圖2）,。

圖2 tBA-AUD SMP前驅(qū)體溶液的特征和打印測試

接著，為了研究tBA-AUD SMP的熱機(jī)械性能,，實(shí)驗(yàn)人員對不同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tBA-AUD SMP拉伸測試時(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試,、傅里葉紅外光譜等一系列測試，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)人員對比了使用不同3D打印技術(shù)制造出的SMP測試件的斷裂伸長率（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