南方科技大学葛锜《AM》强机械，UV固化的形状记忆高分子聚合物，用于4D打印数字光处理

非金非土非木 2021年5月20日浏览：1774

【科研摘要】

4D打印是一种新兴的制造技术，能够使3D打印的结构响应环境刺激而在“时间”内更改配置。与用于4D打印的其他软活性材料相比，形状记忆聚合物（SMP）具有更高的刚度，并且与各种3D打印技术兼容。其中，紫外线（UV）固化SMP与基于数字光处理（DLP）的3D打印兼容，以制造具有复杂几何形状和高分辨率的基于SMP的结构。但是，可紫外线固化的SMP在机械性能方面有局限性，这极大地限制了它们的应用范围。

南方科技大学葛锜《AM》强机械，UV固化的形状记忆高分子聚合物，用于4D打印数字光处理的图1

最近, 南方科技大学葛锜副教授团队报道了一种机械坚固且可紫外线固化的SMP系统，该系统高度变形，耐疲劳并与基于DLP的3D打印兼容，以制造高分辨率（最大 2 µm），高度复杂的3D结构，该结构显示加热时的形状变化（高达1240％）。更重要的是，已开发的SMP系统具有出色的抗疲劳性，并且可以重复加载超过10000次。机械强度高且可紫外线固化的SMP的开发显着改善了基于SMP的4D打印结构的机械性能，从而使其可用于航空航天，智能家具和软机器人等工程应用。相关论文以题为发表在《Advanced Materials》上。

【主图导读】

南方科技大学葛锜《AM》强机械，UV固化的形状记忆高分子聚合物，用于4D打印数字光处理的图2

图1 强机械的 tBA-AUD SMP，用于基于DLP的4D打印。 a）高度可拉伸的tBA-AUD SMP狗骨样品的形状记忆周期快照。b）基于DLP的3D打印设备的示意图。c）用tBA–AUD SMP印刷的宽度为2 µm的网格图案的显微图像。d）用tBA–AUD SMP印刷的开尔文泡沫。e）通过拉伸开尔文泡沫来证明形状记忆效果。f）通过压缩和折叠开尔文泡沫来证明形状记忆效果。

南方科技大学葛锜《AM》强机械，UV固化的形状记忆高分子聚合物，用于4D打印数字光处理的图3

图2 tBA-AUD SMP前体溶液的详细信息和特性。 a）用于制备tBA-AUD SMP前体溶液的AUD，tBA，IBOA和TPO的详细化学结构。b–d）基于DLP的3D打印过程中的光聚合过程插图。b）3D打印之前的tBA–AUD SMP前体解决方案。c）3D打印后的tBA–AUD SMP网络结构。d）交联的tBA-AUD SMP的详细化学结构。e）tBA-AUD SMP前体溶液的粘度与AUD含量的关系。f）相对于AUD含量，tBA-AUD SMP变化的平衡凝胶分数。g）在不同的AUD含量下，tBA-AUD SMP的固化时间与紫外线强度的关系。

南方科技大学葛锜《AM》强机械，UV固化的形状记忆高分子聚合物，用于4D打印数字光处理的图4

图3 tBA–AUD SMP系统的热机械性能。 a）从DMA测试中提取的玻璃化转变温度（T _g ）和橡胶模量与AUD含量的关系。b）不同AUD含量的tBA-AUD SMP的应力-应变行为。c）杨氏模量和断裂伸长率与AUD含量的关系。d）具有30 wt％AUD含量的tBA-AUD SMP样品的代表性形状记忆行为。e）形状固定率Rf和形状恢复率Rr与AUD含量的关系。f）含10 wt％AUD的tBA-AUD SMP样品的疲劳试验。

南方科技大学葛锜《AM》强机械，UV固化的形状记忆高分子聚合物，用于4D打印数字光处理的图5

图 4 tBA-AUD SMP系统可拉伸性的变形机制。 a）变形机理图。b）GPC测试结果。c，d）FTIR光谱分别在1800-1650 cm ^-1 和3500-3200 cm ^-1 范围内。e）应力松弛测试结果。f）比较不同处理后的一个样品的标距长度。g）新的tBA-AUD SMP样品与万次疲劳试验后的单轴拉伸试验的比较。

南方科技大学葛锜《AM》强机械，UV固化的形状记忆高分子聚合物，用于4D打印数字光处理的图6

图5 高度变形的 tBA-AUD SMP及其在智能家具中的工程应用。 a）总结适用于不同3D打印技术的SMP断裂伸长率的图表，以比较tBA-AUD SMP与先前报道的3D可打印SMP的机械性能。b）演示显示了由tBA-AUD SMP制成的厚“ L”形光束的大变形。c）（b）中情况的相应有限元模拟。d）印刷后的形状的印刷SMP晶格铰链快照。e）临时折叠形状的印刷SMP晶格铰链快照。f）智能表的快照，该智能表由八个SMP网格铰链组成，这些铰链连接了桌面和四个支脚。g）将智能表编程为2D紧凑形状。h）演示显示智能表能够支持重负载。

南方科技大学葛锜《AM》强机械，UV固化的形状记忆高分子聚合物，用于4D打印数字光处理的图7

图6 演示了 tBA–AUD SMP在航空航天中的应用。 a–c）具有微通道的SMP智能铰链的设计插图，电阻丝可以穿过该通道进行焦耳加热。d–g）所打印的SMP智能铰链的相应快照。h–k）推断的图像捕获了焦耳加热激活的恢复。l–n）演示基于SMP智能铰链的可展开太阳能电池板。l）具有紧凑形状的太阳能电池板的航天器。m）太阳能电池板的部署过程。n）充分部署的太阳能电池板，可发电以为电动机供电并点亮LED。

【总结】

团队已经报道了一种机械坚固且可紫外线固化的形状记忆聚合物系统，该系统与基于 DLP的3D打印系统兼容，可制造具有高分辨率和高度复杂几何形状的4D打印结构。 tBA-AUD SMP系统主要由作为线性链构建剂的tBA和作为交联剂的AUD组成。AUD交联剂赋予tBA-AUD SMP系统很高的可变形性和抗疲劳性，因此打印的样品可以拉伸多达1240％，并重复加载超过10000次。团队进行了全面的实验，以研究AUD交联剂对热机械性能的影响，例如tBA-AUD SMP系统的动态机械性能，应力-应变关系，形状记忆行为和抗疲劳性。团队还提出了高度可变形的 tBA-AUD SMP系统的变形机制，这是AUD交联剂的高分子量与氢键共同作用的结果。团队进行了实验以成功证明该假设。最后，展示了两个应用程序来展示tBA-AUD SMP在智能家具和航空航天领域的潜力。

参考文献： doi.org/10.1002/adma.202101298

【经典回顾】

中山大学吴进：高稳定/超灵敏/可拉伸/快响应/可穿戴水凝胶薄膜温度传感器

双网络水凝胶又一篇《Nature Materials》机器手和人手指在柔软微图案化基材上的流体弹性动力摩擦

深圳大学周学昌：可回收/焊接/机械耐用/可编程的液态金属弹性体复合材料