南方科技大學葛锜《AM》強機械，UV固化的形狀記憶高分子聚合物，用于4D打印數字光處理

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關注 2021年5月19日 11:09

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【科研摘要】

4D打印是一種新興的制造技術，能夠使3D打印的結構響應環境刺激而在“時間”內更改配置。 與用于4D打印的其他軟活性材料相比，形狀記憶聚合物（SMP）具有更高的剛度，并且與各種3D打印技術兼容 。其中，紫外線（UV）固化SMP與基于數字光處理（DLP）的3D打印兼容，以制造具有復雜幾何形狀和高分辨率的基于SMP的結構。但是，可紫外線固化的SMP在機械性能方面有局限性，這極大地限制了它們的應用范圍。

最近, 南方科技大學 葛锜副教授 團隊 報道了 一種機械堅固且可紫外線固化的SMP系統，該系統高度變形，耐疲勞并與基于DLP的3D打印兼容，以制造高分辨率（ 最大 2 μm），高度復雜的3D結構，該結構顯示加熱時的 形狀變化（高達1240％） 。更重要的是，已開發的SMP系統具有出色的抗疲勞性，并且可以重復 加載超過10000次。 機械強度高且可紫外線固化的SMP的開發顯著改善了基于SMP的4D打印結構的機械性能，從而使其可用于航空航天，智能家具和軟機器人等工程應用。 相關論文以題為發表在《Advanced Materials》上 。

【主圖導讀】

圖1 強機械的 tBA-AUD SMP，用于基于DLP的4D打印。 a）高度可拉伸的tBA-AUD SMP狗骨樣品的形狀記憶周期快照。b）基于DLP的3D打印設備的示意圖。c）用tBA–AUD SMP印刷的寬度為2 μm的網格圖案的顯微圖像。d）用tBA–AUD SMP印刷的開爾文泡沫。e）通過拉伸開爾文泡沫來證明形狀記憶效果。f）通過壓縮和折疊開爾文泡沫來證明形狀記憶效果。

圖2 tBA-AUD SMP前體溶液的詳細信息和特性。 a）用于制備tBA-AUD SMP前體溶液的AUD，tBA，IBOA和TPO的詳細化學結構。b–d）基于DLP的3D打印過程中的光聚合過程插圖。b）3D打印之前的tBA–AUD SMP前體解決方案。c）3D打印后的tBA–AUD SMP網絡結構。d）交聯的tBA-AUD SMP的詳細化學結構。e）tBA-AUD SMP前體溶液的粘度與AUD含量的關系。f）相對于AUD含量，tBA-AUD SMP變化的平衡凝膠分數。g）在不同的AUD含量下，tBA-AUD SMP的固化時間與紫外線強度的關系。

圖3 tBA–AUD SMP系統的熱機械性能。 a）從DMA測試中提取的玻璃化轉變溫度（T _g ）和橡膠模量與AUD含量的關系。b）不同AUD含量的tBA-AUD SMP的應力-應變行為。c）楊氏模量和斷裂伸長率與AUD含量的關系。d）具有30 wt％AUD含量的tBA-AUD SMP樣品的代表性形狀記憶行為。e）形狀固定率Rf和形狀恢復率Rr與AUD含量的關系。f）含10 wt％AUD的tBA-AUD SMP樣品的疲勞試驗。

圖 4 tBA-AUD SMP系統可拉伸性的變形機制。 a）變形機理圖。b）GPC測試結果。c，d）FTIR光譜分別在1800-1650 cm ^-1 和3500-3200 cm ^-1 范圍內。e）應力松弛測試結果。f）比較不同處理后的一個樣品的標距長度。g）新的tBA-AUD SMP樣品與萬次疲勞試驗后的單軸拉伸試驗的比較。

圖5 高度變形的 tBA-AUD SMP及其在智能家具中的工程應用。 a）總結適用于不同3D打印技術的SMP斷裂伸長率的圖表，以比較tBA-AUD SMP與先前報道的3D可打印SMP的機械性能。b）演示顯示了由tBA-AUD SMP制成的厚“ L”形光束的大變形。c）（b）中情況的相應有限元模擬。d）印刷后的形狀的印刷SMP晶格鉸鏈快照。e）臨時折疊形狀的印刷SMP晶格鉸鏈快照。f）智能表的快照，該智能表由八個SMP網格鉸鏈組成，這些鉸鏈連接了桌面和四個支腳。g）將智能表編程為2D緊湊形狀。h）演示顯 示智能表能夠支持重負載。

圖6 演示了 tBA–AUD SMP在航空航天中的應用。 a–c）具有微通道的SMP智能鉸鏈的設計插圖，電阻絲可以穿過該通道進行焦耳加熱。d–g）所打印的SMP智能鉸鏈的相應快照。h–k）推斷的圖像捕獲了焦耳加熱激活的恢復。l–n）演示基于SMP智能鉸鏈的可展開太陽能電池板。l）具有緊湊形狀的太陽能電池板的航天器。m）太陽能電池板的部署過程。n）充分部署的太陽能電池板，可發電以為電動機供電并點亮LED。

【總結】

團隊已經報道了一種機械堅固且可紫外線固化的形狀記憶聚合物系統，該系統與基于 DLP的3D打印系統兼容，可制造具有高分辨率和高度復雜幾何形狀的4D打印結構。 tBA-AUD SMP系統主要由作為線性鏈構建劑的tBA和作為交聯劑的AUD組成。AUD交聯劑賦予tBA-AUD SMP系統很高的可變形性和抗疲勞性，因此打印的樣品可以拉伸多達1240％，并重復加載超過10000次。 團隊 進行了全面的實驗，以研究AUD交聯劑對熱機械性能的影響，例如tBA-AUD SMP系統的動態機械性能，應力-應變關系，形狀記憶行為和抗疲 勞性。團隊還提出了高度可變形的 tBA-AUD SMP系統的變形機制，這是AUD交聯劑的高分子量與氫鍵共同作用的結果。 團隊 進行了實驗以成功證明 該 假設。 最后，展示了兩個應用程序來展示tBA-AUD SMP在智能家具和航空航天領域的潛力。

參考文獻 ： doi.org/10.1002/adma.202101298

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