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蘭州化物所王齊華團隊 Small：探索4D打印形狀記憶聚合物的自適應性

2024-09-13 來源：高分子科技

4D打印高性能形狀記憶聚合物，特別是使用數字光處理（DLP）技術，由于其能夠快速且高精度地制造復雜結構，并滿足多樣化的應用需求，因此引起了全球的廣泛關注。然而，開發適用于DLP打印的高性能動態形狀記憶聚合物（DSMPs）仍面臨重大挑戰，這是由于光聚合過程與高強度聚合物的固化/聚合之間固有的不兼容性。本文開發了一種與DLP打印兼容的機械強健DSMP，該DSMP包含動態亞胺鍵連接的聚酰亞胺（PI）剛性鏈段，表現出顯著的機械性能（拉伸強度≈41.7 MPa，模量≈1.63 GPa）和熱穩定性（T_g≈113 ℃，T_d≈208 ℃）。更重要的是，得益于動態共價鍵（DCBs）賦予的固態塑性，4D打印結構展現出快速的網絡適應性，能夠輕松實現重新配置、自我修復和回收利用。同時，大量的π-π共軛賦予DSMP本征光熱效應，允許雙模式觸發4D結構按需變化。這項工作不僅極大地豐富了高性能個性化配置的應用范圍，還為解決環境污染和能源危機提供了可靠的途徑。

DLP打印是一種利用紫外光圖案固化液態前體為具有一定模量凝膠的制造工藝，該過程通過自由基聚合將線性低分子量的丙烯酸酯基預聚物轉化為3D化學交聯聚合物。圖1中展示了DSMP墨水的組成，包括含有PI鏈段的構建塊（AHs）、活性稀釋劑4-丙烯酰嗎啉（ACMO）、光引發劑819，所有這些成分均溶解在極性溶劑N-甲基吡咯烷酮（NMP）中。此前通過分子工程報道，穩固的苯環結構可以提供限制聚合物鏈段運動的π-π共軛，為增強SMPs整體性能提供了可行的解決方案。因此，他們創新性設計的AHs由兩部分組成：富含剛性苯環鏈段的氨基封端PI（ATPI）低聚物，用于增強機械和熱性能；以及動態丙烯酸酯基擴鏈劑（MEV），作為柔性鏈節以及DCBs，賦予光固化性。

圖1：DSMP墨水的組成成分以及DLP打印過程。

使用DSMP墨水進行DLP制造的長臂猿幾何體顯示出完整且定義明確的結構（圖2a），展示了出色的打印精度。由于形狀記憶效應（SME），長臂猿會通過彎曲肢體靈活地執行抓取動作（圖2d）；并且DSMP的動態特性允許永久形狀以各種形式重塑用于新的形狀記憶循環。圖2f顯示，將重塑的形狀B變形為“夾持重物”狀態，并在加熱至150°C時，長臂猿實現了伴隨形狀回復的精確部件傳遞（圖2g）。目標部件的靈活抓取和定點投放作為智能機器人的基本操作，完美展示了所設計的DSMP配置優異的變形能力和強大的重塑功能。此外，得益于大量π-π共軛的聚集，DLP打印的直梯表現出本征光熱效應，進一步實現了遠程精準控制，便于3D結構的儲存與運輸，并在NIR作用下于目標部位有效部署（圖2j-2l）。

圖2：DSMP配置的雙模式觸發行為演示。

DSMP體系可以輕松實現受損組件的自我修復，通過在損傷部位的熱激活DCBs交換反應以恢復其原始狀態。如圖3所示，4D打印長臂猿的手臂被切斷。

通過在切割端滴落NMP溶劑，并在150 °C下對齊保持3小時，切割部位完全閉合。自我修復性能歸因于動態鍵重新排布聚合物的拓撲結構。如應力-應變曲線所示，愈合樣品的拉伸強度與原始樣品相比完全恢復，盡管觀察到斷裂伸長率有下降的趨勢。這種下降可能是由于在自修復界面除了亞胺復分解和酯交換之外，還發生了自交聯、雙鍵交聯和超交聯聚胺等各種反應，導致材料脆性和剛性增加。此外，DCBs特性賦予DSMP可回收性。DLP打印的長臂猿模型被研磨成粉末，然后在180 °C、5 MPa壓力下熱壓30分鐘，實現了DSMP樣品的多次循環回收（圖3）。與已報道的4D打印動態SMP相比，他們的DLP打印DSMP配置在模量、強度和T_g方面表現出明顯優勢，使其能夠在高溫、高強和耐壓領域中解鎖應用潛力，例如智能模具、航空航天、機械超材料和強健支撐器。

圖3：DSMP配置的快速自適應性（自修復，回收利用）。

總結：通過動態共價化學、剛性PI鏈段和柔性單元的分子工程組裝，實現了高精度DLP打印的DSMP。所得到的DSMP表現出高強度和優異的形狀記憶性能。他們探索了由DCBs賦予的共價適應網絡（CANs），使得DSMP在高溫下能夠重新布局拓撲結構，從而具備修復、回收和重構永久形狀的能力。此外，剛性PI鏈段中豐富的π-π共軛結構賦予DSMP本征光熱效應。結合形狀記憶效應和光熱效應，4D打印的DSMP能夠響應近紅外光（NIR）實現了遠程按需操作，展示了在各種場景中的潛在應用。總體而言，這項工作通過將芳雜環結構組裝到動態可持續網絡中為設計高性能動態SMPs開辟了新途徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202406358

下載：Exploring the Adaptability of 4D Printed Shape Memory Polymer Featuring Dynamic Covalent Bonds

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（責任編輯：xu）

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