西北工科大学の黄偉院士と于涛教授:有機の長時間残光を利用した3Dプリント構造力学モニタリングの研究における新たな進歩

西北工科大学の黄偉院士と于涛教授:有機の長時間残光を利用した3Dプリント構造力学モニタリングの研究における新たな進歩
出典: ノースウェスタン工科大学

ポリマー材料の老化や応力破壊などの問題は、ポリマー材料のさらなる開発と応用を制限するボトルネックとなっており、樹脂ベースの 3D プリント材料の開発が直面する重要な課題でもあります。現在、樹脂ベースの 3D プリント材料の経年劣化および応力破損解析には、材料の損傷解析とモニタリングを行うための大規模な装置を使用する必要があります。さらに、上記の樹脂ベースの 3D プリント材料の老化および応力故障解析は、高コスト、単一ポイント監視、非破壊リアルタイム監視の難しさなど、多くの問題に直面しています。

上記の問題に対応するため、西北工科大学の黄偉院士チームの于涛教授の研究グループは、有機室温燐光分子を使用して3Dプリント樹脂の機械的特性をリアルタイムでモニタリングするという新しいアイデアを提案しました(メカニズムについては図1を参照)。研究チームは、「ドナー-アクセプター-アクセプター」(DA-A')構成を持つ2つの高効率有機常温燐光分子DTPPAOとtBuDTPPAOを設計・調製し、DTPPAOを物理的にドープしてHEA-AA光硬化性樹脂と均一に混合し、機械的特性の自己監視機能を備えたHEA-AA / DTPPAO光硬化性材料を調製しました。デジタル光処理(DLP)3D印刷技術を使用して一連の3次元構造を調製し、構造健全性監視分野への適用に成功しました。この成果は、構造健全性分野における有機常温燐光の応用の基礎を築きました。関連する結果は最新のNature Communicationsに掲載されました。フレキシブルエレクトロニクス研究所のポスドク研究員Huang Rongjuan氏と修士課程学生He Yunfei氏が本論文の共同筆頭著者であり、Yu Tao教授と院士Huang Wei氏が共同責任著者です。



図1: 3Dプリント樹脂の機械的特性をリアルタイムでモニタリングするための有機室温リン光分子を使用するメカニズムの概略図

研究チームは、DTPPAOの調整可能な残光特性を利用して、HEA-AA感光性樹脂をポリマーマトリックスとして使用し、常温燐光性光硬化性材料を調製し、常温燐光特性を持つ3次元構造の3Dプリントを実現しました。その特性をさらに調査したところ、HEA-AA/DTPPAO ポリマーの発光特性と機械的特性は UV 硬化時間と周囲の湿度に非常に敏感であることが明らかになりました。

UV照射がない場合、またはUV照射時間が非常に短い場合、格子構造に残光は発生しません。ただし、光硬化時間が長くなるにつれて、明るい緑色の残光が現れ、残光寿命が長くなります。 HEA-AA/DTPPAOのC=C二重結合変換率は光硬化時間の延長とともに増加し続け、その傾向は残光寿命の変化と同じであった。これは、HEA-AA/DTPPAO に紫外線を照射すると、HEA-AA ポリマー鎖の架橋度が増加し、ドーピングシステムの剛性が大幅に向上し、分子振動が抑制され、三重励起子が安定化されることを示しています。さらに、ポリマーのヤング率も残光寿命と同じ傾向で変化します (図 2a)。格子構造は、燐光寿命が短く、紫外線照射硬化なしでは残光がほとんどなく、2 N の圧力下では大きく変形します。完全な重合後(60分間のUV照射)、格子構造は2Nの圧力下で優れた機械的特性を示し、明らかな変形はなく、緑色の残光は約3秒間持続しました(図2b)。



図 2: 異なる光硬化時間によるポリマーの機械的特性のモニタリング。 a) リン光寿命、C=C 二重結合変換率、ポリマーのヤング率と硬化時間の関係、および対応するポリマー構造と格子構造の残光特性の模式図。b) 異なる光硬化時間と 2N 荷重下での変形を伴う格子構造の残光写真。

さらに、HEA-AA/DTPPAOポリマーの吸水時間の増加に伴い、HEA-AA/DTPPAOのヤング率は890MPaから0MPa近くまで大幅に減少し、これは残光寿命の変化傾向と一致しています(図3a)。研究チームは、DLP 3D プリント技術を使用してテーブルを作成し、局所的な水分吸収によってテーブルモデルの局所的な機械的破損を実現しました。故障処理を受けた2本のテーブル脚は100グラムの重量に耐えることができず、機械的故障領域のリン光寿命は他の領域よりも大幅に短くなりました(図3b、c)。さらに調査を進めると、ポリマー内の水が水素結合相互作用を弱め、ヤング率の低下につながることが判明しました。



図 3: さまざまな周囲湿度レベルでのポリマーの機械的特性のモニタリング。 a) 室温リン光寿命と HEA-AA/DTPPAO のヤング率および吸水時間の関係と、5N 荷重下での対応する 3D プリント構造のデジタル写真。b) 3D プリント「テーブル」の局所的な機械的特性の故障モニタリングの概略図。c) 3D プリント「テーブル」の局所的な機械的特性の故障モニタリングの実際の写真。

光硬化時間と周囲湿度を変更することで、3D プリント構造の機械的特性を正確に調整でき、室温でのリン光寿命を通じてプリント構造の機械的特性を監視できます。この研究は、有機室温リン光材料が機械的特性自己監視センシングの分野で大きな応用可能性を秘めていることを実証しています。このタイプの新材料は、スマートセンシング、機械的モニタリング、構造健全性モニタリング、その他の自己モニタリング材料の分野で幅広く応用されています。

この研究は、国家基礎科学センター、国家自然科学基金、陝西省優秀若手科学者基金などのプロジェクトによって支援されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1038/s41467-024-45497-4




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