吉林大学任露泉团队《Additive Manufacturing》：多打印参数编码液晶弹性体的4D打印策略

2023年1月5日，吉林大学任露泉团队在《Additive Manufacturing》期刊上发表题为Multi-parameter-encoded 4D printing of liquid crystal elastomers for programmable shape morphing behaviors 的论文，提出利用多打印参数编码液晶弹性体的4D打印策略，系统地揭示工艺参数、结构与宏观变形特性的关系，结合实验和模拟的方法分析LCEs的复杂变形模态，阐明多参数（包含打印速度、挤出压力、打印高度和紫外光强度）对挤出长丝形貌和热响应驱动应变的影响。最终，各种参数编码被集成到具有相同几何特征的样品中，证明了多参数编码4D打印方法能够有效实现局部变形可控。

文章简介

液晶弹性体(LCEs)是具有定向介晶方向的轻交联聚合物网络，在特定外部刺激下可产生较大的可逆各向异性形变，因此在机器人、生物医学、电子、光学和能源领域显示出巨大的应用潜力。近年来，4D打印技术在编程LCEs介晶特性和结构特性已显示出巨大的优势，为制造具有理想刺激响应特性的LCEs材料提供了高效的策略。

在4D打印材料挤出过程中，LCEs的介晶排列会受到挤出头内壁和基板的剪切诱导作用，而介晶排列程度会影响LCEs的宏观变形行为。因此，4D打印过程参数将密切影响LCEs的驱动应变。然而目前为止，仍然缺乏系统性研究深入解析4D打印参数与LCEs变形的相互作用关系。

研究内容解读

图1多参数编码4D打印方法示意图

研究团队首先探明了挤出打印过程中打印参数（打印速度、挤出气压、打印高度，光照强度）对于液晶弹性体热响应变形行为的定性影响。其中，随着打印速度的增加，其驱动应变随之增大；随着挤出气压以及打印层高的增加，其驱动应变随之减小；同时，随着紫外光计量的增加，其热响应相转变温度随之增加。同时，将前三种关于挤出过程中的打印参数进行组合编码定义，定义了三种典型的打印参数组合情况及其对应的打印线条形貌及驱动应变，如图2所示。

图2 多参数编码的4D打印的原理解释

进一步，团队探究了在可打印范畴内，打印参数的动态变化对其宏观形态以及驱动应变的影响。图2b-c显示了在光交联强度的调整范围为100-500mw/cm 2时，其扫略固化光照强度与其固化凝胶分数以及驱动应变之间的关系。图2d-i则给出了调整挤出参数变化对线条宽度以及驱动应变的影响。其中打印高度的调整范围可在0.3-0.9mm。打印速度的变化范围为2-10mm/s;打印挤出气压大小的变化范围为100-500kPa。其热刺激响应的变化范围为5%-45%。建立起了其打印参数与材料宏观打印形态及其刺激响应驱动应变之间的关系。

图3 多种印刷参数对长丝宽度和驱动应变的协同效应

团队提供了通过紫外光固化设计编程材料中的各向异性，并控制其刺激响应变形行为。其中，图4a-b打印的液晶弹性体小条在打印扫略固化的过程中使用了不同的紫外光照强度，这使得左侧具有更低的相转变温度，因此在升温刺激过程中，左侧的区域首先响应收缩，整体产生弯曲。随着温度进一步升高，右侧也随之收缩，整体又恢复成长条形。在变形的过程中，其形态经历了两个阶段的三种形状的变化。曲率半径随着温度升高先减小后增大（图4e），而与之相比，没有引入交联密度的差异的液晶弹性体样条，只能产生一个阶段的双形态转变（图4c-d,f）。

图4 紫外光对印刷的LCEs执行器的形状变形行为的影响。

团队提供了通过打印参数调控其变形形态的设计方法，通过在打印样条的不同区域选取使用差异化的打印参数来调控设计液晶弹性体的热刺激响应变形形状，并通过仿真方法对变形行为进行了模拟（图5）。

图5 通过打印速度进行可编程的形状变形行为。

受逻辑门概念的启发，采用AND门编码打印速度、挤压气压和打印高度。为证明多参数编码4D打印方法的可行性，将光强度、打印速度、挤压率和打印高度信息集成到多种几何设计的样品中，通过改变局部嵌入的参数代码实现不同的局部形变，如图6所示。

图6多参数编码的4D打印的概念验证应用

该工作为解析4D打印LCEs的工艺参数-微观结构-宏观变形的机制提供了全面的理论参考，可实现对LCEs结构局部变形特征的按需调控。多参数编程4D打印相比传统LCEs分子定向方法具有更好的便捷性和通用性，可应用在软体机器人、人工肌肉、柔性电子等关键领域。

论文的第一作者为中国科学院院士任露泉，导师外第一作者为博士生何禹霖，通讯作者分别为吉林大学刘庆萍研究员和吉林大学李冰倩博士后。

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原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103376

来源：高分子科学前沿

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