环保的4D打印技术：生物基形状记忆聚合物的探索

来自 实验室仪器网

科研人员介绍了一种完全生物衍生的四维（4D）可打印形状记忆聚合物（SMP），它具有线性可调性和远程控制驱动能力。这些聚合物源自可再生植物基丙烯酸酯，包括丙烯酸化菜籽油(ARO)、丙烯酸异冰片酯(IBOA)和甲基丙烯酸异冰片酯(IBOMA)，兼具环境可持续性和功能适应性。

智能材料和3D打印技术的快速发展，推动了机器人技术、生物医学设备和自适应表面工程领域的突破。在这些材料中，形状记忆聚合物（SMP）因其“记忆”能力而脱颖而出，能够在受到外界刺激时恢复到预设形状。

尽管传统SMP潜力巨大，但它们大多源自石油基原料，这限制了它们的生物降解性、可再生性以及与可持续实践的契合度。生物基SMP提供了一种颇具前景的替代方案。尽管最近的发展已引入了可调控的生物基SMP，但将其规模化应用于3D打印执行器仍然困难重重。

对于能够同时可靠地响应多种刺激并适用于4D打印的SMP的研究也很少。

为了解决这个问题，该研究提出了一种新的完全基于生物的SMP系统，该系统使用大桶光聚合(VPP)进行4D打印，并且可以对热空气、光和电场做出反应。

研究人员利用菜籽油和丙烯酸合成了ARO，制成了可紫外线固化的生物基树脂。这些树脂与IBOA、IBOMA、2,2-偶氮双(2-甲基丙腈)以及不同数量的碳纳米管(CNT)混合。为了制备导电复合材料，还添加了单壁碳纳米管。

这些材料采用数字光处理(DLP)打印机进行3D打印。打印的树脂固化时间为5分钟（纯树脂）或10分钟（复合材料）。打印前，使用光流变仪测量树脂粘度，并测试纯树脂和CNT填充树脂的固化深度。

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测原材料和印刷材料中的化学相互作用。机械测试包括拉伸试验以及使用动态力学分析(DMA)测量储能模量和损耗模量，并评估形状记忆效应。

采用激光闪光法测量热导率，并利用热成像和定制装置测试电阻和焦耳热。为了演示驱动，4D打印结构在手动变形并加热至玻璃化转变温度以上后，使用热空气、电力或光触发。

4D打印SMP的线性活化温度范围为32至76°C，具有优异的形状固定性，形状恢复率高达99%。材料的机械性能也可调，拉伸强度范围为2.3至12.5MPa。

虽然碳纳米管的加入最初会降低固化效率和机械性能，但这些挑战得到了有效解决。最终，该复合材料成功实现了电驱动和光驱动，从而实现了形状记忆效应的局部精确控制。

为了展示功能，使用生物基SMP进行了几种复杂结构4D打印。

例如，用两种热机械性能不同的材料打印的螺旋模型，在相同的加热速率下表现出不同的激活速度。由于激活温度较低，较软的螺旋在大约10秒内激活并恢复到原始形状。

相比之下，由于甲基丙烯酸酯基团造成的空间位阻，甲基丙烯酸酯含量较高的螺旋需要更多的热量和时间。结合两种材料的混合螺旋结构在加热过程中表现出顺序驱动。

在另一项演示中，研究人员成功利用光驱动了一根1毫米厚、90毫米长的4D打印棒。该结构在大约10分钟内恢复了原来的形状。通过优化激光位置和光束尺寸，可以显著缩短恢复时间，从而实现更高效、更均匀的加热。

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