高強度形状記憶ポリマーの4Dプリント

高強度形状記憶ポリマーの4Dプリント
出典: EFL Bio3Dプリンティングとバイオ製造

4D プリントに使用できる他の柔らかい素材と比較して、形状記憶ポリマー (SMP) は剛性が高く、さまざまな印刷技術と互換性があります。中でも、光硬化性 SMP は投影光硬化印刷技術と互換性があり、複雑な形状と高解像度の SMP 構造を印刷できます。しかし、光硬化性 SMP は機械的特性に大きな制限があり、その適用範囲が制限されます。

最近、南方科技大学の葛奇チーム、西北工科大学の張彪チーム、浙江大学の屈紹チームが共同で、優れた機械的特性を持つ光硬化性材料システムを提案しました。この材料システムは、非常に強力な変形性能と疲労耐性を備え、DLP印刷方法と互換性があり、高解像度で非常に複雑な3D構造の製造を実現でき、加熱時に比較的明らかな形状記憶能力を発揮できます(図1)。関連論文「デジタル光処理ベースの 4D 印刷のための機械的に堅牢で UV 硬化可能な形状記憶ポリマー」が「Advanced Materials」誌に掲載されました。

図 1 SMP の DLP 印刷テスト まず、研究者らは、主に tert-ブチルアクリレート (tBA) と脂肪族ポリウレタンジアクリレート (AUD) で構成される、優れた機械的特性を持つ SMP 材料システム (tBA-AUD SMP) を提案しました。 tBA-AUD SMP材料システムの粘度と光重合度に影響を与える要因を調べるために、実験者はAUD含有量を変えて印刷テストを実施しました(図2)。

図 2 tBA-AUD SMP 前駆体溶液の特性と印刷テスト 次に、tBA-AUD SMP の熱機械的特性を調べるために、実験者は異なる AUD 含有量の tBA-AUD SMP に対して動的機械分析を実施し、レオロジー温度スキャン結果とガラス転移温度 (Tg) を決定しました (図 3)。

図 3 異なる AUD 濃度における tBA-AUD SMP の熱力学的特性の分析 ただし、tBA-AUD SMP を高弾性状態に変換できる Tg は理論値よりも 30 °C 高くなります。 Tg の増加の理由を探るために、実験者は AUD 含有量を 0wt% から 50wt% に増加させ、AUD 含有量が tBA-AUD SMP の引張試験中のヒステリシス挙動と残留ひずみに非常に大きな影響を与えることを発見しました。続いて、AUD含有量がtBA-AUD SMPの形状記憶挙動に及ぼす影響と、材料の優れた機械的再現性と疲労耐性を調べるために、形状記憶および疲労耐性試験を実施しました(図4)。

図4 tBA-AUD SMPの熱機械特性試験 tBA-AUD SMPの高い変形性と耐疲労性の具体的な理由を探るため、実験者は試験片を80℃で荷重変形させ、その後荷重を解放して20℃で成形し、最後に試験片を加熱して自然に初期状態に戻しました。さらに、実験者はゲル浸透クロマトグラフィーやフーリエ変換赤外分光法などの一連のテストを実施し、その高い変形性と耐疲労性は、AUD架橋剤の高分子量と水素結合の複合効果によるものであると結論付けました(図5)。

図 5 tBA-AUD SMP 引張特性の変形メカニズム 最後に、ゲル状態の tBA-AUD SMP が非常に強力な変形能力を持っていることを証明するために、実験者は、さまざまな 3D 印刷技術を使用して製造された SMP 試験片の破断時の伸びを比較し (図 6)、DLP 技術を使用して「L」字型の梁を製造し、「I」字型と「U」字型に曲げてから、80°C に加熱した後に元の形状に戻しました (図 7)。
図 6 高変形 tBA-AUD SMP とスマート ホームへの応用 図 7 航空宇宙における tBA-AUD SMP の応用のデモンストレーション まとめると、実験者は、高い変形性と優れた耐疲労性を備え、DLP 印刷方法と互換性のある光硬化性高強度形状記憶ポリマー (tBA-AUD SMP) 材料システムを設計しました。この材料システムは、加熱すると明らかな形状変化を起こすことができる高解像度で非常に複雑な 3D 構造の製造を実現できます。 tBA-AUD SMP は、航空宇宙、スマート家具、ソフトロボティクスの分野で大きな応用可能性を秘めています。

出典: https://doi.org/10.1002/adma.202101298

生物学

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