紡絲3D打印液晶聚合物成型可回收全纖維材料

供稿人：張曼玉 田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

纖維增強(qiáng)高分子作為一種輕質(zhì)剛性材料，廣泛應(yīng)用在飛機(jī)，汽車以及生物醫(yī)療設(shè)備中，然而復(fù)合材料卻難以回收不利于可持續(xù)發(fā)展。相比之下，自然界中的輕質(zhì)材料，例如骨骼，蠶絲和木材，通過導(dǎo)向自組裝形成復(fù)雜的分級(jí)結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，并且能夠在自然界中循環(huán)再生。2018年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)在Nature雜志上發(fā)表對(duì)熱致液晶聚合物3D打印相關(guān)研究，通過3D打印熱致液晶聚合物獲得自組裝成核-殼結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度輕質(zhì)可回收零件[1]。2021年，該團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上通過后續(xù)對(duì)熱致液晶聚合物研究，提出紡絲3D打印技術(shù)打印液晶聚合物[2]。為了實(shí)現(xiàn)基于熔融擠出的紡絲工藝，研究團(tuán)隊(duì)通過控制聚合物的進(jìn)給速度，在噴頭處集聚熔融聚合物，并最終以高拉絲率拉出纖維。其打印原理如圖1所示。

圖1 全纖維材料紡絲3D打印技術(shù)示意圖

由于紡絲打印成型的纖維增強(qiáng)層合纖維與基體材料同為液晶聚合物因此具有完全可回收性能。紡絲3D打印出的纖維力學(xué)性能隨著纖維絲直徑的增加力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)。為了評(píng)估紡絲打印纖維對(duì)正交層合板機(jī)械性能影響，對(duì)纖維增強(qiáng)層合板施加縱向（0°）和橫向（90°）拉伸載荷，其纖維含量為7.9Vvol%時(shí)，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別提高3.4倍和3倍。該團(tuán)隊(duì)同時(shí)探究不同纖維含量下層合板的力學(xué)性能變化規(guī)律，隨著纖維含量的增加其拉伸強(qiáng)度和模量呈增加趨勢(shì)。這種紡絲打印技術(shù)可打印如圖2所示的纖維增強(qiáng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)在特定的方向改變纖維含量以滿足不同機(jī)械負(fù)載條件下的要求。采用紡絲打印的纖維增強(qiáng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)為完全可回收且可多次循環(huán)使用，這種技術(shù)可以擴(kuò)展應(yīng)用到液晶彈性體和熱塑性聚合物來制造全纖維可回收結(jié)構(gòu)。

圖2 紡絲打印纖維增強(qiáng)層合板力學(xué)性能變化規(guī)律及復(fù)雜結(jié)構(gòu)

參考文獻(xiàn)：
Gantenbein, S., Masania, K., Woigk, W. et al. Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures. Nature 561, 226–230 (2018).
Spin-Printing of Liquid Crystal Polymer into Recyclable and Strong All-Fiber Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2021