王齐华、王廷梅等双酚A型氰酸酯3/4D打印研究取得新进展

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3D打印技术又称增材制造，3D打印技术和刺激响应材料的结合称为4D打印技术。不同于3D打印的静态结构，4D打印技术制备的材料是一种可在外界刺激下随时间变形的结构。在刺激响应材料中，形状记忆聚合物是一种最常用的4D打印材料。但由于难以制备打印墨水，鲜有利用打印技术制备高性能形状记忆聚合物的报道。双酚A型氰酸酯作为一种高性能聚合物材料，具有高强度、高转变温度、低吸水率和抗辐射等一系列优点，被广泛应用于航天航空等领域。但由于双酚A型氰酸酯材料在有机溶剂中难以溶解等问题，限制了氰酸酯材料的3/4D打印。
　　中国科学院兰州化学物理研究所先进润滑与防护材料研发中心王齐华研究员、王廷梅研究员带领的团队和兰州理工大学张建强教授合作，通过环氧和氰酸酯预聚、双键光固化和聚合物互穿网络结构热固化三步策略，首次实现了双酚A型氰酸酯的3/4D打印，制备的墨水可适用于数字光固化（DLP）和直接墨水书写（DIW）两种打印方式（图1）。打印的结构具有极低的体积收缩率、高强度、高转变温度和优异的形状记忆效应。该工作为氰酸酯材料以及其他高性能材料的3/4D打印提供了新思路。

图1. 4D打印过程以及两种打印方式

　　3D打印形状记忆氰酸酯聚合物可形成4D打印氰酸酯聚合物。研究人员使用墨水打印的螺旋弹簧可被压缩或拉伸，并在78秒内恢复形状，证明了弹簧良好的形状记忆效应（shape memory effect，简称SME）。打印的“C”形轮廓的密封圈在210℃温度下变形，在87秒内完成形状恢复。该研究可解决安装刚性密封圈的问题，特别是结构复杂的密封圈。
　　智能模具作为一种可多次重复利用的模具，具有较大的应用前景。研究人员通过3D打印出花生形状的模具将浸有光固化油墨的芳纶纤维缠绕在3D打印的花生形状模具，通过模具变形脱模成功获得沙漏状复合材料，解决了传统模具难以一体化制备此类异型件的难题，并实现了模具的重复使用。打印的不同结构如图2所示。该项研究为高强度形状记忆聚合物(SMP)的广泛应用奠定了良好的基础(图2)。相关成果发表在Chemical Engineering Journal（2022, 431, 134211）上。

图2. 4D打印的结构及形状记忆演示应用

　　该工作得到了国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究计划和中国科学院B类先导科技专项培育项目的支持。


       文章来源：兰州化物所
      王齐华，男，中国科学院兰州化学物理研究所研究员,博士生导师。1990年7月毕业于西北工业大学获工学学士学位，1998年7月于中国科学院兰州化学物理研究所获物理化学理学博士学位。2004年以高级访问学者身份在美国休斯敦大学化学系进行合作研究。现任中国科学院兰州化学物理研究所党委书记、副所长，博士生导师，研究员。国家杰出青年基金获得者，中国机械工程学会摩擦学分会第九届青年工作委员会副主任委员，甘肃省化学会理事，《润滑与密封》杂志编委会委员，《摩擦学学报》杂志编委会委员。目前主要从事的研究领域包括复合材料摩擦学、空间环境材料失效行为和机理研究以及苛刻条件下的润滑材料和密封技术研究。在国内外重要期刊发表论文100余篇。作为项目负责人或主要骨干，先后承担了20多项研究课题；获得国家自然科学二等奖1项、甘肃省科技进步一等奖1项、中科院科技进步一等奖1项，荣获中科院首届刘永龄奖和2006年国务院政府特殊津贴。