高强轻质结构制造新方法—分级3D打印液晶聚合物

自然界中的骨骼、蚕丝、木材等生物材料能够自组装形成了一种分级复合构造的轻质结构，不仅拥有优异的机械性能，还能够重新循环再生长。瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员正是借鉴了自然界中生物材料的生长机理，采用分级3D打印液晶聚合物的方法制备出了一种可循环利用的新型轻质结构。

该技术利用热致变液晶芳族聚酯中的刚性分子片段在熔融状态下能够自组装形成液晶向列区的现象，研究人员采用FDM技术在材料的挤出成形过程中让熔融液晶材料沿着打印路径实现自组装，从而实现了材料结构的各向异性生长，之后再结合材料的各向异性和由3D打印赋予的复合成型能力进一步优化结构的机械性能，获得能够与传统轻质材料的刚度、强度以及韧性相比拟的高强轻质结构。

图1  FDM方法打印分级热致型液晶聚合物（a）由刚性单体组成的芳族无规共聚酯构成的棒状聚合物链；（b）熔融状态下的刚性聚合物棒沿同一方向对齐；（c）局部对齐的向列区在聚合物中形成准各向同性区域；（d）加热的喷嘴在挤出操作时利用拉伸力和剪切力对聚合物进行重整；（e）材料挤出后失去自身的取向；（f）沉积材料在一定高度的表面再次调整对齐并且形成核壳结构；(g-h)链末端通过热处理进行化学交联增加分子量

图2  液晶聚合物长丝的性能与打印条件的关系 （a）核壳结构长丝的伪色扫描电子显微图像；(b-c) 核壳结构长丝横截面的偏光显微图像；(d)X射线衍射表明取向聚合物的占比更高；(e) 垂直挤出的长丝强度和杨氏模量均随着喷嘴直径的减小而增大；(f) 水平打印的长丝强度和杨氏模量均随着长丝高度的减小而增大；(g) 喷嘴温度与室温之间的温差与长丝杨氏模量的关系；(h) 固态退火处理能够通过增加聚合物分子量来提高性能

研究人员对打印出来的样件进行力学性能测试，发现该热致变液晶聚合物的自组装形成各向异性的长丝能够将材料韧性等机械性能提高到与现有轻质材料类似的程度。

图3 3D打印的液晶聚合物层板以及部件的机械性能和复杂结构 （a）液晶聚合物开孔层压板在张力作用下的力学性能；(b) 断裂之前开孔的应变图谱；(c) 液晶聚合物打印线和部件的比刚度、比强度和衰减性能；(d-e)具有复杂结构的3D打印液晶聚合物模型

该技术采用分级3D打印技术成功解决了传统纤维增强型聚合物结构在性能上易脆裂、难以塑形的难题，能够利用可回收材料再制造，突破了复合材料回收再利用的关键技术，成功实现了具有优异机械性能轻质构件的制备，对于今后制备新型的人工轻质材料具有重大的意义。


参考文献
Gantenbein S, Masania K, Woigk W, et al. Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures[J]. Nature, 2018, 561(7722): 226.

作者：杨强，李涤尘
来源：机械制造系统工程国家重点实验室