福建物構所光固化4D打印研究獲新進展

4D打印技術是將3D打印技術與智能材料結構結合起來發展出的新技術,智能材料結構在3D打印基礎上受外界環境激勵下隨著時間實現自身的結構變化,從而使三維物體增加了一個時間維度。4D打印技術可改變傳統的“機械傳動+電機驅動”的模式,使物體在地下管道、航天器、人體器官等難以接觸到的地方進行自我組裝,2016年被列為未來十大顛覆世界的技術之一,在航空航天、電氣自動化、機器人、紡織材料、組織工程、醫療器械、藥物輸送載體等領域有很多的應用前景。
最近,中科院福建物質結構研究所、中科院功能納米結構設計與組裝重點實驗室吳立新團隊在科技部國家重點研發計劃重點專項和海西院“一三五”重點培育項目的支持下,首次報道具有永久形狀可重構性的4D打印形狀記憶聚合物,設計合成了一種帶有醛基的新型甲基丙烯酸酯單體(4-甲酰基苯甲酸2-(甲基丙烯酰氧基)乙酯,MEFB)和超支化硅氧烷交聯劑(HPASi),構建出具有動態亞胺鍵的(甲基)丙烯酸酯體系(IEMSis),用以實現4D打印。 HPASi的柔性鏈結構顯著提高了IEMSis的韌性,約為添加前的33-97倍。 HPASi的交聯作用也賦予IEMSis良好的形狀記憶性能,它們的形狀固定率和形狀恢復率分別為97.5-97.6%和91.4-93.7%。同時,在沒有催化劑和相對溫和的條件下,IEMSis可以通過亞胺鍵的動態交換實現應力松弛,使得4D打印的永久形狀在特定條件下還可以重構,因而可望擴展4D打印技術的應用范圍。相關研究成果發表在ACS Applied Materials & Interfaces(2019, DOI:10.1021/acsami.9b14145.)。博士后繆佳濤為該論文的第一作者。該研究采用林文雄團隊研發的設備,成果已在海西院參股公司國銳中科應用。
此前,該團隊在作為4D打印基礎的3D打印樹脂研究方面取得了一系列重要進展。納米粒子增強熱塑性3D打印樹脂成果發表在Materials & Design(2016, 102, 276-283),已被引用193次,被愛思唯爾出版集團列為該雜志Most Cited Articles;納米粒子增強光固化3D打印樹脂成果發表在Composites Part A(2019, 117, 276-286)和Composites Part A(2016, 88, 234-242);稀土磁性3D打印樹脂成果發表在Journal of Alloys and Compounds(2017, 715, 146-153);可發泡3D打印樹脂成果發表在Advanced Engineering Materials(2018, 20, 1800215)和Materials & Design(2016, 105, 152-159);以及與許瑩團隊合作研究的雙固化3D打印樹脂體系發表在Journal of Materials Science(2019, 54, 5865-5876),受到了國內外同行的廣泛關注。

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