聚乳酸基形状记忆聚合物的性能研究及其4D打印

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随着科学技术的快速发展,越来越多的新型材料走入人们的视野。在各种材料中,智能材料作为一种新兴的且具有独特性能的材料,变得越来越受欢迎。其中,形状记忆聚合物材料作为其中具有代表之一,受到广泛的关注。形状记忆聚合物具有优异的形状记忆功能,其广泛应用于生物医疗、机械制造、航空航天、土木工程等重要领域。其中,聚乳酸作为一种生物材料,其力学性能优良,具有很好的生物相容性与可降解性,在生物医用领域具有广阔的使用前景,但是其玻璃化转变温度过高,在人体中进行热驱动形状记忆回复会引起不良反应,因此本文将研究通过改性使其玻璃化转变温度降低,以适应人体。由于形状记忆材料的常用驱动方式为直接加热,这种驱动方式的效率低,在实施的过程中有很大的局限性,因此本文将研究可远程遥控驱动的方式,实现材料的可控形状回复过程。本文采用热失重分析(TGA)、差示扫描量热测试(DSC)、动态热机械性能测试(DMA)、傅里叶红外光谱(FTIR)等多种测试手段对材料进行热性能、热机械性能分析,同时分析了形状记忆性能以及磁驱动行为和4D打印结构件。以聚乳酸为原材料,通过物理共混的方式,经过混料、注模、固化和脱模四个步骤成功制备了形状记忆聚乳酸,并以共混挤出和4D打印的方式成功的制备了结构件,测试结果表明,形状记忆聚乳酸的起始分解温度在310℃左右,拥有较好的耐热性,材料本身的结晶能力较弱,Tg为66.9℃,冷结晶温度为110.5℃。其、材料的力学性能很好,在低温时,弹性模量最高为2.75GPa。聚乳酸拥有很好的形状记忆性能,其形状固定率约为99.1%,形状回复率为99.4%。聚乳酸的4D打印试件的形状回复较好,打印过程对材料的形状记忆性能没有影响,可很好的实现材料的4D打印。以聚乳酸为原材料,分别以聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)加聚乙二醇(PEG)为改性材料,采用物理共混的方法制备了改性形状记忆聚乳酸,降低了聚乳酸材料玻璃化转变温度。然后制备可用于4D打印的丝线,实现4D打印。测试结果表明,改性材料具有很好的热学性能,热分解的初始温度均高于300℃,耐热性能较好。FTIR测试表明,三种改性材料均未发现原有官能团的消失和新官能团的生成。材料具有很好的热机械性能,低温下其弹性模量最高为2.48GPa,在玻璃化转变温度以上仍可达100Mpa以上。通过不同改性材料的加入,有效的降低了聚乳酸的玻璃化转变温度,其温度的最大降幅为15.6℃。同时,材料具有显著的粘弹性特征,温度大于或等于Tg时,材料均具有很好的形状记忆性能,形状固定率最大为96%,形状回复速度较快,且形状回复率最高为98%,并且可用于4D打印。最后,以纳米四氧化三铁(Fe3O4)为掺杂物,制备了多功能复合材料打印线。混杂颗粒的添加赋予了聚乳酸材料磁性能。PLA/Fe3O4在交变磁场的驱动下实现了远程驱动行为,磁场为32KHz。通过磁驱动回复后,材料的回复性能与直接加热驱动效果基本相同。同时材料的热学性能、形状回复性能均十分优良,其中储能模量较掺杂前最大提高了1Gpa,很好的提高了力学性能,材料最终既实现了4D打印,又使材料具备功能性驱动。
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