氮氧化物介導的光固化技術實現(xiàn)多材料微結構的定制和重構

供稿人：王帥偉、連芩
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會

在傳統(tǒng)光固化成形技術中，由于不可逆的光固化反應，光固化樹脂內的自由基在聚合后形成了失活的多相聚合物交聯(lián)網絡。在新興的失活可逆自由基聚合技術（RDRP）中，聚合物網絡在交聯(lián)后可進行再活化，也就是可逆地使交聯(lián)網絡生長失活。這種特性可以使交聯(lián)網絡具備可再加工性。

法國上阿爾薩斯大學的Mehdi Belqat等人開發(fā)出一種基于氮氧化物介導的光固化樹脂（含有二苯甲酮基團的烷氧基胺，PA1），采用RDRP技術研究了微結構的制備以及修飾方法，展示了高度可調的2D 和 3D多材料微結構、精確和連續(xù)的表面圖案[1]。

圖1 氮氧化物介導的光固化機理和可逆制造功能化制造步驟

如圖 1(a)所示，在特定波長的光照下，含有二苯甲酮基團的烷氧基胺可以在沒有催化劑或外部添加劑的情況下進行C-O鍵的裂解，該過程可以產生碳自由基（R•）和穩(wěn)定的氮氧化物自由基（•O-NR1R2). R•可在其它樹脂存在的情況下進一步交聯(lián)生長為聚合物自由基R-Pn•。在生長過程中，聚合物自由基R-Pn•可被氮氧化物自由基（•O-NR1R2)可逆終止，產生休眠物質R-Pn-ONR1R2，這種反應特性提供了一種控制自由基聚合的方法。如圖 1(b)所示，通過調控不同聚合物中的自由基和光波強度及波長，可以使交聯(lián)網絡選擇性裂解再交聯(lián)。圖 1(c)為樹脂交聯(lián)網絡功能化制造的示意圖。

圖2 3D打印多材料微結構[1]

該團隊采用季戊四醇三丙烯酸酯（PETA）和PA1制造出Voronoi結構（20 μm × 20 μm× 20 μm），如圖 2 a）、b）所示， SEM圖像顯示結構組織良好。圖 2 c）、d）展示了該技術在打印3D微結構時精細的空間控制能力。該技術實現(xiàn)了3D微結構的特征定制，通過控制光波功率及波長，實現(xiàn)多材料微結構的制造與重構，為加速RDRP技術在光固化成形技術中的使用給出了探索方向。

參考文獻：
BELQAT M, WU X, MORRIS J, et al. Customizable and Reconfigurable Surface Properties of Printed Micro-objects by 3D Direct Laser Writing via Nitroxide Mediated Photopolymerization [J]. Advanced Functional Materials, n/a(n/a): 2211971.