浙江大学谢涛教授课题组在4D打印形状记忆聚合物方面取得新进展

原创：老酒高分子 高分子科技 

        智能器件在科学前沿领域有着广泛的应用，例如温控开关、传感器与制动器和仿生机器人等，其形状会直接影响其功能。由于制备模具和脱模过程比较繁琐和困难，传统的模塑法不能满足日新月异的智能设备的制造。3D打印技术可以制备高度复杂的定制产品，在生物医疗、航天器和软体机器人等领域有着广阔的应用前景。但由于其层层叠加的特性，目前3D打印仍然受限于打印速度慢，打印材料选择面窄等问题。

        近年来，围绕以上问题，浙江大学化学工程联合国家重点实验室谢涛课题组开展了一系列工作。受非均质二维平面在释放内应力后转变为三维结构这一现象的启发，结合数字化光固化工艺，实现了聚合物的超快速三维成型（Adv. Mater. 2017, 29, 1605390）。在此次工作中，研究人员使用两种截然不同的水凝胶体系和溶胀石蜡体系说明了该技术的通用性。

 图1. 制备过程的示意图与单体和交联剂的化学结构

        近日，该团队成功将上述技术应用于形状记忆聚合物的制备。形状记忆聚合物为丙烯酸甲酯、丙烯酸异冰片酯与1,6-乙二醇二丙烯酸酯的共聚物。研究人员系统地研究了该形状记忆聚合物前驱液的光固化动力学、曝光参数与聚合物性能之间的关系。上述原料构成的聚合物前驱液在具有特定图案和灰度的数字光源下进行曝光、固化得到二维聚合物薄膜，该薄膜经过残留单体脱除后将转变为预设的三维结构。数字化灰度曝光起到两方面作用，一是赋予形状记忆聚合物一个复杂的三维结构，二是在得到的形状记忆聚合物中实现区域性的热力学性能（相转变温度、模量、断裂伸长率等）差异。进一步地，研究人员还探索了该技术在三维光学器件与柔性电子器件方面的应用。

图2. 材料的形状记忆性能

 图3. 数字化形状记忆聚合物的潜在功能展示

  利用该方法制备具有先进功能的结构复杂智能设备展示出了普适性与简便性。同时，其中的化学设计可以拓展到一系列不同的材料中。

  相关工作以题目为“4D Printing of a Digital Shape Memory Polymer with Tunable High Performance”的研究论文已发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》（DOI：10.1021/acsami.9b11062）上。博士生张玥为第一作者，通讯作者为谢涛教授与吴晶军博士。

  论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11062

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