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3D打印技術又稱增材制造，3D打印技術和刺激響應材料的結合稱為4D打印技術。不同于3D打印的靜態(tài)結構，4D打印技術制備的材料是一種可在外界刺激下隨時間變形的結構。在刺激響應材料中，形狀記憶聚合物是一種最常用的4D打印材料。但由于難以制備打印墨水，鮮有利用打印技術制備高性能形狀記憶聚合物的報道。雙酚A型氰酸酯作為一種高性能聚合物材料，具有高強度、高轉變溫度、低吸水率和抗輻射等一系列優(yōu)點，被廣泛應用于航天航空等領域。但由于雙酚A型氰酸酯材料在有機溶劑中難以溶解等問題，限制了氰酸酯材料的3/4D打印。

　　中國科學院蘭州化學物理研究所先進潤滑與防護材料研發(fā)中心王齊華研究員、王廷梅研究員帶領的團隊和蘭州理工大學張建強教授合作，通過環(huán)氧和氰酸酯預聚、雙鍵光固化和聚合物互穿網絡結構熱固化三步策略，首次實現(xiàn)了雙酚A型氰酸酯的3/4D打印，制備的墨水可適用于數(shù)字光固化（DLP）和直接墨水書寫（DIW）兩種打印方式（圖1）。打印的結構具有極低的體積收縮率、高強度、高轉變溫度和優(yōu)異的形狀記憶效應。該工作為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。

圖1. 4D打印過程以及兩種打印方式

　　3D打印形狀記憶氰酸酯聚合物可形成4D打印氰酸酯聚合物。研究人員使用墨水打印的螺旋彈簧可被壓縮或拉伸，并在78秒內恢復形狀，證明了彈簧良好的形狀記憶效應（shape memory effect，簡稱SME）。打印的“C”形輪廓的密封圈在210℃溫度下變形，在87秒內完成形狀恢復。該研究可解決安裝剛性密封圈的問題，特別是結構復雜的密封圈。

　　智能模具作為一種可多次重復利用的模具，具有較大的應用前景。研究人員通過3D打印出花生形狀的模具將浸有光固化油墨的芳綸纖維纏繞在3D打印的花生形狀模具，通過模具變形脫模成功獲得沙漏狀復合材料，解決了傳統(tǒng)模具難以一體化制備此類異型件的難題，并實現(xiàn)了模具的重復使用。打印的不同結構如圖2所示。該項研究為高強度形狀記憶聚合物(SMP)的廣泛應用奠定了良好的基礎(圖2)。相關成果發(fā)表在Chemical Engineering Journal（2022, 431, 134211）上。

圖2. 4D打印的結構及形狀記憶演示應用

　　該工作得到了國家自然科學基金重點項目、中國科學院前沿科學重點研究計劃和中國科學院B類先導科技專項培育項目的支持。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.134211