CN110172116A - 一种基于液晶弹性体及4d打印的制备方法及产品 - Google Patents
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Abstract
本发明属于先进材料制备和成形相关技术领域，其公开了一种基于液晶弹性体及4D打印的制备方法及产品，该制备方法包括以下步骤：(1)将液晶单体、交联剂正丁胺及光引发剂进行混合及搅拌以得到齐聚物，并对所述齐聚物进行除气泡处理；(2)构建待成形零件的三维模型，并基于所述齐聚物及所述三维模型采用切片软件进行打印速率编程设计并进行切片以得到4D打印设备能直接读取并运行的文件；(3)以所述齐聚物为材料，所述4D打印设备依据所述文件进行待成形零件的打印成形，且在打印的同时，采用紫外光照射已打印好的部位。本发明可实现复杂变形液晶弹性体零件的制备。
Description
技术领域
本发明属于先进材料制备和成形相关技术领域，更具体地，涉及一种基于液晶弹性体及4D打印的制备方法及产品。
背景技术
液晶弹性体是近几十年才开发出来的一类智能材料，温度高于或者低于其清亮点温度时，其内部的液晶基元会发生重排，从而导致宏观的变形。由于液晶弹性体具有可发生可逆形变、刺激响应程度大、响应速率快等特点，逐渐引起了人们的兴趣。随着4D打印的兴起，液晶弹性体很快就展现出极大的应用前景，例如柔性机器人、人工肌肉和动态功能结构等。
当前高分子材料成形主要依赖于模具成形，虽然能得到表面光洁、致密的制品，但是由于模具制作周期长，成本高，导致模具成形方法整体周期很长，不适合个性化生产。同时生产成本很高，在产品快速更新换代的时代更加剧了模具更换成本。
此外，模具成形制品还存在形状较为单一、难以进行多材料成形等问题，这大大限制了液晶弹性体等高聚物材料的应用。而液晶弹性体作为一种智能材料，实际应用中需要进行不同形式的变形，例如伸缩变形、弯曲、卷曲等。然而没有经过任何编程处理的液晶弹性体材料在温度的刺激下仅能发生伸缩变形，因此为了满足实际应用需求，需要对液晶弹性体进行编程，使之能够产生更复杂的变形形式。现有的编程方法，例如选择性地光照，需要额外增加工序或者掩膜模板等工具，工艺更加复杂，成本更高，有的还无法实现某些形式的变形。相应地，本领域存在着发展一种可实现多种变形的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法及产品的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于液晶弹性体及4D打印的制备方法及产品，其基于现有液晶弹性体的成形特点，为了解决液晶弹性体变形单一而导致使用受限的问题，研究及设计了一种可以实现多种变形的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法。所述制备方法实现了液晶弹性体制备的可逆及快速响应，并采用4D成形及打印速率编程，响应速度快，可逆，且可实现复杂变形的液晶弹性体零件的制备。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)将液晶单体、交联剂正丁胺及光引发剂进行混合及搅拌以得到齐聚物，并对所述齐聚物进行除气泡处理；
(2)构建待成形零件的三维模型，并基于所述齐聚物及所述三维模型采用切片软件进行打印速率编程设计并进行切片以得到4D打印设备能直接读取并运行的G代码文件；
(3)以所述齐聚物为材料，所述4D打印设备依据所述G代码文件进行待成形零件的打印成形，且在打印的同时，采用紫外光照射已打印好的部位。
进一步地，步骤(1)中，将液晶单体、交联剂正丁胺及光引发剂进行混合后在80-110℃下进行搅拌18h～24h，以得到齐聚物。
进一步地，所述液晶单体与所述交联剂正丁胺的摩尔比为(1～1.5)：1；所述光引发剂的质量为所述液晶单体及所述交联剂正丁胺质量总和的(1～2)％。
进一步地，所述液晶单体为液晶单体RM82，所述光引发剂为光引发剂Irgacure369。
进一步地，对所述齐聚物进行除气泡处理时，将所述齐聚物装入4D打印设备的料筒中，然后将所述料筒放入真空烘箱中，在温度为70℃～100℃、真空度为(2～10)×103Pa的环境下烘干6h～12h。
进一步地，所述4D打印设备在50℃～90℃下打印出待成形零件。
进一步地，在打印过程中采用能量密度为5mWcm-2～12mWcm-2的紫外光照射已经打印的部位。
进一步地，打印完成后，采用能量密度为30mWcm-2～45mWcm-2的紫外光照射打印完成的零件10分钟～30分钟。
进一步地，打印完成后，采用能量密度为45mWcm-2的紫外光照射打印完成的零件20分钟。
按照本发明的另一方面，提供了一种由以上所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法制备的产品，其特征在于：该产品内的液晶分子呈各向异性，且液晶分子的各向异性是在打印过程中通过挤出产生的剪切力和拉伸形成的。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法及产品主要具有以下有益效果：
1.本发明采用4D打印技术，可以成形任意复杂的结构和部件，突破了传统加工工艺方法的制造限制，为尽可能优化结构设计奠定了基础；当成形不同形状或结构的零件时只需要把该零件的三维几何模型导入到打印设备即可快速成形，不需要更换装备或者其他工具，因此单件或者小批量成形时有着其他方法无法比拟的高效率及低成本，适用性较强。
2.本发明制备的液晶弹性体的性能优越，最大变形程度超过40％，而且对同一种液晶油墨材料，改变打印速率，就可以得到变形性能不同的液晶弹性体，且可实现快速的可逆变形，其响应可在数秒内完成。
3.利用4D打印速率编程设计方法不需要任何额外的工具，只需要在打印时调整打印速率就可使打印出的材料产生不同的变形性能，工艺简单，效率较高，成本低。并且此方法可以使打印出性能不同的两线条，打印出的线条宽度由打印针嘴的直径和打印速率共同决定，因此材料的性能梯度大小易于根据需要进行控制，这种材料梯度控制方法简单易行。
4.由于工艺参数包括打印速率、打印路径、打印温度、打印时针嘴距离基板的高度、光照能量密度和时间等均对材料的结构和性能有重要影响，因此可利用打印工艺对材料的结构和性能进行局部打印速率编程设计，进而得到局部结构和性能各异的零件。此外，采用多个喷头同时打印，除了提高成形效率，还可以使多种材料结合，为整体部件的加工成形提供了可能。
附图说明
图1是本发明提供的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
步骤一，将液晶单体、交联剂正丁胺及光引发剂进行混合及搅拌以得到齐聚物。
具体地，将液晶单体及交联剂正丁胺按照摩尔比(1～1.5)：1进行混合后，再加入质量为所述液晶单体及所述交联剂正丁胺质量总和的(1～2)％的光引发剂后在80～110℃下进行搅拌18h～24h，以得到齐聚物。
本实施方式中，所述液晶单体为液晶单体RM82，所述光引发剂为光引发剂Irgacure369；所述齐聚物在室温下是一种不透明的黄色粘弹性材料。
步骤二，对所述齐聚物进行除气泡处理使打印过程更顺利，且可避免打印件的质量缺陷。
具体地，将所述齐聚物装入4D打印设备的料筒中，然后将所述料筒放入真空烘箱中，在温度为70℃～100℃、真空度为(2～10)×103Pa的环境下烘干6h～12h。
步骤三，构建待成形零件的三维模型，并基于所述齐聚物及所述三维模型采用切片软件进行打印速率编程设计并进行切片以得到4D打印设备能够直接读取并运行的G代码文件。
具体地，利用三维建模软件构建待成形零件的三维模型并导出STL文件，同时利用切片软件进行打印速率编程设计以得到4D打印机可直接读取的G代码文件。
步骤四，以所述齐聚物为材料，所述4D打印设备依据该G代码文件进行待成形零件的打印成形，且在打印的同时，采用紫外光照射已打印好的部位。
具体地，所述4D打印设备在50℃～90℃下打印出所设计的不同部位对应不同打印速率的待成形零件；且在打印过程中采用能量密度为5mWcm-2～12mWcm-2的紫外光照射已经打印的部位，且打印完成后，采用能量密度为30mWcm-2～45mWcm-2的紫外光照射10分钟～30分钟，以得到可产生复杂变形的待成形零件。
打印以后，打印得到的产品中的液晶分子是各向异性的，而液晶分子的各向异性是在打印过程中通过挤出时产生的剪切力和拉伸导致的。其中，打印速率为1mm/s～20mm/s；打印机所使用的针头直径为0.2mm～1mm。
以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步的详细说明。
实施例1
本发明实施例1提供的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法主要包括以下步骤：
(1)齐聚物的制备：将液晶单体RM82和交联剂正丁胺以摩尔比1:1的比例在圆底烧瓶中混合，并向所述圆底烧瓶中加入质量为所述液晶单体RM82和交联剂正丁胺质量总和的1.5％的光引发剂Irgacure369，然后在110℃油浴下进行搅拌18h，以得到齐聚物。
(2)除气泡：把该齐聚物装入4D打印设备的料筒，然后将该料筒放入真空烘箱中，在温度为80℃、真空度为5×103Pa下烘干时间12h。
(3)几何建模以及打印速率编程设计：利用三维建模软件构建待成形文件的三维模型并导出STL文件，同时利用切片软件进行打印速率编程设计并进行切片以得到4D打印设备所可直接读取运行的G代码文件。
(4)4D打印及光交联：以该齐聚物为材料，利用4D打印设备在90℃下打印出所设计的不同部位需要不同打印速率的待成形零件，其中，4D打印设备的针头直径是0.4mm；在打印过程中用能量密度为12mWcm-2的紫外光照已经打印的部位，且打印完以后用能量密度为45mWcm-2的紫外光照射20分钟，以得到可产生复杂变形行为的待成形零件。
实施例2
本发明实施例2提供的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法主要包括以下步骤：
(1)齐聚物的制备：将液晶单体RM82和交联剂正丁胺以摩尔比1.3:1的比例在圆底烧瓶中混合，并向所述圆底烧瓶中加入质量为所述液晶单体RM82和交联剂正丁胺质量总和的2％的光引发剂Irgacure369，然后在80℃油浴下进行搅拌22h，以得到齐聚物。
(2)除气泡：把该齐聚物装入4D打印设备的料筒，然后将该料筒放入真空烘箱中，在温度为100℃、真空度为2×103Pa下烘干时间9h。
(3)几何建模以及打印速率编程设计：利用三维建模软件构建待成形文件的三维模型并导出STL文件，同时利用切片软件进行打印速率编程设计并进行切片以得到4D打印设备所可直接读取运行的G代码文件。
(4)4D打印及光交联：以该齐聚物为材料，利用4D打印设备在55℃下打印出所设计的不同部位需要不同打印速率的待成形零件，其中，4D打印设备的针头直径是0.4mm；在打印过程中用能量密度为5mWcm-2的紫外光照已经打印的部位，且打印完以后用能量密度为40mWcm-2的紫外光照射10分钟，以得到可产生复杂变形行为的待成形零件。
实施例3
本发明实施例3提供的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法主要包括以下步骤：
(1)齐聚物的制备：将液晶单体RM82和交联剂正丁胺以摩尔比1.5:1的比例在圆底烧瓶中混合，并向所述圆底烧瓶中加入质量为所述液晶单体RM82和交联剂正丁胺质量总和的1.5％的光引发剂Irgacure369，然后在95℃油浴下进行搅拌24h，以得到齐聚物。
(2)除气泡：把该齐聚物装入4D打印设备的料筒，然后将该料筒放入真空烘箱中，在温度为85℃、真空度为10×103Pa下烘干时间12h。
(3)几何建模以及打印速率编程设计：利用三维建模软件构建待成形文件的三维模型并导出STL文件，同时利用切片软件进行打印速率编程设计并进行切片以得到4D打印设备所可直接读取运行的G代码文件。
(4)4D打印及光交联：以该齐聚物为材料，利用4D打印设备在50℃下打印出所设计的不同部位需要不同打印速率的待成形零件，其中，4D打印设备的针头直径是0.4mm；在打印过程中用能量密度为9mWcm-2的紫外光照已经打印的部位，且打印完以后用能量密度为45mWcm-2的紫外光照射30分钟，以得到可产生复杂变形行为的待成形零件。
实施例4
本发明实施例4提供的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法主要包括以下步骤：
(1)齐聚物的制备：将液晶单体RM82和交联剂正丁胺以摩尔比1:1的比例在圆底烧瓶中混合，并向所述圆底烧瓶中加入质量为所述液晶单体RM82和交联剂正丁胺质量总和的1％的光引发剂Irgacure369，然后在110℃油浴下进行搅拌18h，以得到齐聚物。
(2)除气泡：把该齐聚物装入4D打印设备的料筒，然后将该料筒放入真空烘箱中，在温度为70℃、真空度为5×103Pa下烘干时间6h。
(3)几何建模以及打印速率编程设计：利用三维建模软件构建待成形文件的三维模型并导出STL文件，同时利用切片软件进行打印速率编程设计并进行切片以得到4D打印设备所可直接读取运行的G代码文件。
(4)4D打印及光交联：以该齐聚物为材料，利用4D打印设备在60℃下打印出所设计的不同部位需要不同打印速率的待成形零件，其中，4D打印设备的针头直径是0.4mm；在打印过程中用能量密度为12mWcm-2的紫外光照已经打印的部位，且打印完以后用能量密度为30mWcm-2的紫外光照射25分钟，以得到可产生复杂变形行为的待成形零件。
本发明提供的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法及产品，该方法利用液晶单体、交联剂正丁胺和光引发剂Irgacure369合成齐聚物油墨，用打印速率对材料进行编程，且通过油墨直写工艺打印并进行紫外光照，得到具有复杂变形行为的液晶弹性体零件，如此不仅能有效解决因液晶弹性体变形简单导致应用受到极大限制的问题，还简化了编程工艺，提高了成形效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：
(1)将液晶单体、交联剂正丁胺及光引发剂进行混合及搅拌以得到齐聚物，并对所述齐聚物进行除气泡处理；
(2)构建待成形零件的三维模型，并基于所述齐聚物及所述三维模型采用切片软件进行打印速率编程设计并进行切片以得到4D打印设备能直接读取并运行的文件；
(3)以所述齐聚物为材料，所述4D打印设备依据所述文件进行待成形零件的打印成形，且在打印的同时，采用紫外光照射已打印好的部位。
2.如权利要求1所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，将液晶单体、交联剂正丁胺及光引发剂进行混合后在80-110℃下进行搅拌18h～24h，以得到齐聚物。
3.如权利要求1所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于：所述液晶单体与所述交联剂正丁胺的摩尔比为(1～1.5)：1；所述光引发剂的质量为所述液晶单体及所述交联剂正丁胺质量总和的(1～2)％。
4.如权利要求1所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于：所述液晶单体为液晶单体RM82，所述光引发剂为光引发剂Irgacure369。
5.如权利要求1所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于：对所述齐聚物进行除气泡处理时，将所述齐聚物装入4D打印设备的料筒中，然后将所述料筒放入真空烘箱中，在温度为70℃～100℃、真空度为(2～10)×103Pa的环境下烘干6h～12h。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于：所述4D打印设备在50℃～90℃下打印出待成形零件。
7.如权利要求1-5任一项所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于：在打印过程中采用能量密度为5mWcm-2～12mWcm-2的紫外光照射已经打印的部位。
8.如权利要求1-5任一项所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于：打印完成后，采用能量密度为30mWcm-2～45mWcm-2的紫外光照射打印完成的零件10分钟～30分钟。
9.如权利要求8所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法，其特征在于：打印完成后，采用能量密度为45mWcm-2的紫外光照射打印完成的零件20分钟。
10.一种由权利要求1-9任一项所述的基于液晶弹性体及4D打印的制备方法制备的产品，其特征在于：该产品内的液晶分子呈各向异性，且液晶分子的各向异性是在打印过程中通过挤出产生的剪切力和拉伸形成的。
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