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3D打印环氧树脂形状记忆高分子聚合材料性能分析

更新时间: 2021-08-02 09:26:04  查看次数: 224    
智能材料是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激,对之进行分析、处理、判断,并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。形状记忆材料是一种能在室温下能长期稳定保持临时形状,并且在外部刺激下(如光、热、湿度、PH值等)迅速回复到永久形状的新型智能材料。高分子基形状记忆材料,与传统的形状记忆合金、形状记忆陶瓷相比,具有形变量大、较宽的转变温度可调区间、良好的生物性能、较低的成本等优点,有着广阔的应用前景,因此获得了来自学术界和工业界的广泛兴趣。

环氧树脂是形状记忆高分子聚合材料的重要基体选择之一。其特点是,具有尺寸稳定性、化学稳定性、力学强度高、热响应温度高等,另外具有良好的加工性,是微纳复合材料重要的树脂基体,可以发挥不同填料和基体的优异性能,甚至组合出单一组分所不具备的增强效果。形状记忆环氧树脂普通情况下是热响应型的,开关温度是它的玻璃化转变温度。它实现形状记忆的过程通常是这样的:
  • (1)在模具中发生固化反应得到永久形状或初始形状;
  • (2)将其加热到玻璃化温度以上,材料呈现高弹的特征,这时候施加外力使其变形,保持外力施加的状态冷却至室温状态,撤去外力,材料能保持住外力施加时的状态,即为临时形状;
  • (3)在没有外力的情况下,再次将温度升至转变温度以上,材料自动回复为初始形状。这个过程是由环氧树脂内部结构中的固定相和转变单元控制的。

              形状记忆环氧树脂体系网络结构


运用3D打印实现形状记忆材料的制备,是所谓4D打印的一种,在西安,其出现迅速成为智能材料科研工作者的研究热点。环氧树脂在高分子形状记忆材料领域属于高模量高强度的典型,对其3D打印实现,有利于将4D打印的实际应用。但是相比于形状记忆合金及形状记忆陶瓷,在作为结构材料使用的情况下,环氧树脂仍然存在力学性能,尤其是材料模量和强度上的不足。另外,在应用结构设计上,环氧树脂的成型方式依赖高质量模具的开发,时间长、成本高,不利于复杂结构的实现。
我们已成功制备了可用于3D打印的环氧基复合材料,但是其力学性能只与纯环氧相当,并且由于材料状态的原因,在打印高层切片的时候,底部必须有足够的支撑,也就是说,所能实现的模型局限于绪论中所说Z向等截面或者截面变化较小的情况。对于Z向截面有大幅增大,以及具有跨度结构(或者镂空结构)的模型,打印机将无法完成打印目标。这两点极大限制了3D打印技术在形状记忆环氧树脂及其复合材料成型中的应用。
针对上述力学性能不足以及跨度结构无法打印的两个问题,在制备环氧打印材料的基础上,进一步添加了短碳纤维作为主要的增强相,制备了能用于3D打印的高力学性能形状记忆环氧基复合材料。并且由于短碳纤维在打印过程会实现短碳纤维的取向使得材料在短碳纤维取向的方向上获得更优的力学性能表现。利用多打印头打印技术,能克服墨水直写方式无法打印高跨度结构打印的问题。我们同样以环氧树脂为基体,制备了作为支撑材料的打印墨水,成功实现三维立体复杂结构的打印。