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西安交通大學張彥峰:高強度聚硫氨酯共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的可重構(gòu) 4D 打印

3D打印前沿
2022
06/21
11:44
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來源:高分子材料


4D打印因其在智能設(shè)備、生物醫(yī)學和組織工程中的潛在應(yīng)用而引起了極大的興趣。然而,傳統(tǒng)的形狀記憶聚合物存在單一的永久形狀和恢復方向,4D打印的靈活性受到很大限制。此外,光固化 3D 打印物體的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無法再加工或修復。為了解決這些問題,將動態(tài)硫代氨基甲酸酯鍵引入可光固化的甲基丙烯酸酯中,制備出楊氏模量為 1.2 GPa、拉伸強度為 61.9 MPa 的可再加工和自修復的 4D 打印聚硫氨酯 (4DP-PTU)。通過在損壞的表面上重新打印,可以很容易地修復打印的物體。形狀記憶4DP-PTU具有較高的形狀固定性和形狀恢復能力,以及固態(tài)可塑性帶來的可重構(gòu)永久形狀。通過加入碳納米管獲得雙模式觸發(fā)警報,以展示在智能警報中的潛在應(yīng)用,以警告激光暴露或火災(zāi)情況。此外,具有優(yōu)異生物相容性的4DP-PTU的表面潤濕性和細胞粘附性能可以通過與巰基化合物的交換反應(yīng)輕松調(diào)節(jié)。因此,4DP-PTU 可能在機器人技術(shù)、智能警報、生物植入物以及解決 3D 打印產(chǎn)品的環(huán)境挑戰(zhàn)方面顯示出巨大的潛在應(yīng)用。


4D打印將第四維度“時間”引入3D打印,這意味著3D打印的物體可以在外部刺激(熱、光、磁場等)下改變其形狀、屬性或功能。由于刺激觸發(fā)的反應(yīng),4D 打印引起了公共媒體、科學研究以及工業(yè)領(lǐng)域的極大興趣,如機器人、仿生學、紡織工業(yè)和組織工程。在過去的幾十年里,木材、金屬、陶瓷和水凝膠等各種材料已被用于實現(xiàn) 4D 打印。相比之下,形狀記憶聚合物(SMPs)具有變形大、重量輕、恢復應(yīng)力強、響應(yīng)速度快等優(yōu)點,因此在各種應(yīng)用的4D打印中發(fā)揮著重要作用。例如,Zarek 等人報道了 SMP 網(wǎng)絡(luò)的 4D 打印,并將其用于構(gòu)建響應(yīng)式柔性電子設(shè)備。一系列光固化 SMP 被用于實現(xiàn)多材料 4D 打印,并且由此產(chǎn)生的幾何形狀表現(xiàn)出顯著的時間依賴性順序形狀恢復。然而,4D打印中使用的SMP通常是共價交聯(lián)的,具有不變的永久形狀,導致恢復方向單調(diào),限制了4D打印的靈活性。此外,雖然光固化 3D 打印具有高分辨率和優(yōu)異的表面質(zhì)量,但由于不溶解和不可熔化的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò),所得物體本質(zhì)上不可回收,從而造成嚴重的經(jīng)濟和環(huán)境問題。因此,需要開發(fā)一種用于 4D 打印的永久形狀可重構(gòu)、可回收和自修復材料。


圖1 4DP-PTU的DLP打印流程。a) TCB 的動態(tài)交換反應(yīng)。b) 4DP-PTU光固化的合成路線。c) 4DP-PTU 的 DLP 打印示意圖。印刷的哥特式建筑 d) 和格子 e) 的照片。


圖2 4DP-PTU的修復、自愈、再加工和應(yīng)力松弛。a) 修復受損印刷狐貍的照片。b) 啞鈴形 4DP-PTU 樣品自愈的照片和示意圖。c) 原始和愈合的啞鈴形 4DP-PTU 樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。d) 4DP-PTU 的再處理。e)原始和再加工的啞鈴形4DP-PTU樣品在不同條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。f) 150、160、170 和 180 °C 下的歸一化應(yīng)力松弛曲線。


圖3 4DP-PTU 的形狀記憶和可重構(gòu)夾具。a) 4DP-PTU 條帶的恢復角度與恢復時間。b) DMA 獲得的 4DP-PTU 循環(huán) 20 次的形狀記憶曲線。c) 夾具的打印模型。d) 打印后的開放式夾具的照片。e) 使用 4DP-PTU 夾具卸載 500 g 重物的過程。f) 重新配置要閉合的夾具的永久形狀。g) 使用 4DP-PTU 夾具抓取 500 克重物的過程。


圖4 NIR 觸發(fā)的 4DP-PTU/CNT 和雙模式觸發(fā)警報。a) 4DP-PTU/CNTs 的表面溫度與輻照時間的關(guān)系。近紅外照射后 4DP-PTU/CNT 的紅外圖 b) 0 s 和 c) 12 s。d) 4DP-PTU/CNTs 打印手的局部控制形狀記憶。e) 雙模觸發(fā)報警的打印模型。f) 雙模式觸發(fā)報警電路圖。g) 綠燈表示安全狀態(tài)。h) 紅燈和蜂鳴聲表示危險狀態(tài)。


圖5 4DP-PTU 的細胞相容性、組織相容性和可調(diào)表面特性。



相關(guān)論文以題為Reconfigurable 4D Printing of Reprocessable and Mechanically Strong Polythiourethane Covalent Adaptable Networks發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者是西安交通大學Le An,張彥峰特聘研究員。

參考文獻:
doi.org/10.1002/adfm.202203720

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