CN114605772A - 一种基于光响应的4d打印材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光响应的4D打印材料及其应用，属于4D打印技术领域。通过在3D打印材料中掺杂碳纳米管或纳米四氧化三铁得到近红外光敏感的复合材料。打印时，在进行常规3D打印时，采用近红外光源，基于纳米四氧化三铁或碳纳米管的光热效应，在3D打印成型基础上原位光刻微纳米结构得到光响应的4D打印部件。该材料对近红外光照响应灵敏，可以构建精确的微纳米图案，在电子学、光子学、磁器件与纳米流体有很好应用前景。尤其是通过构建周期性的纳米图案在光的干涉、衍射、干涉等物理作用下形成颜色，最终实现无墨水打印。
Description
技术领域
本发明涉及4D打印技术领域，具体涉及一种基于光响应的4D打印材料及其应用。
背景技术
智能材料是一种能够感知外界刺激、改变自身结构和功能的材料，具备传感功能、响应功能、驱动功能。4D打印技术是3D打印技术与智能材料相结合的产物，是在3D打印自身系统基础上，在外界的刺激(如、光、电场、磁场等)下随着时间的增加自身发生变化的制造技术，同时具备3D打印技术和智能材料的优点。4D打印技术具有低成本、高效率、智能化的优点，能够对复杂的结构实现精准的制造。
微纳米光刻技术作为能构筑精确、大量纳米图案的技术，在学术界和工业界得到了广泛的关注，然而，想通过廉价、室温、低压的方法大量制备具有高分辨率、稳定好的微观好的图案依然是巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光响应的4D打印材料及其应用，能在打印的同时实现精准的微纳米光刻。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于光响应的4D打印材料，是在3D打印材料中掺杂碳纳米管或纳米四氧化三铁后，再经挤出机熔融挤出获得对近红外光敏感的复合材料。
所述3D打印材料为ABS树脂、聚乳酸树脂、丙烯酸树脂、尼龙、聚醚醚酮或流体凝胶。
所述纳米四氧化三铁为球形纳米粒子，具有超顺磁性，粒径为10-20nm；所述碳纳米管为多壁碳纳米管，直径≤20nm，长度≤30μm。
所述纳米四氧化三铁的制备过程为：将FeCl3·6H2O与FeCl2·4H2O按照摩尔比2:1混合，并加入去离子水中混合搅拌，然后在65℃条件下滴入1mol/L氢氧化钠溶液，持续保温搅拌反应2小时，冷却至室温，以磁铁分离后冷冻干燥，即获得所述纳米四氧化三铁。
所述4D打印材料中，当3D打印材料为ABS树脂并掺杂四氧化三铁时，ABS树脂与四氧化三铁质量比为10：(0.1～1)；当3D打印材料为ABS树脂并掺杂碳纳米管时，ABS树脂与碳纳米管质量比为10：(0.01～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为聚乳酸树脂并掺杂四氧化三铁时，聚乳酸树脂与四氧化三铁质量比为10：(0.2～3)；当3D打印材料为聚乳酸树脂并掺杂碳纳米管时，聚乳酸树脂与碳纳米管质量比为10：(0.05～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为丙烯酸树脂并掺杂四氧化三铁时，丙烯酸树脂与四氧化三铁质量比为10：(0.2～2.5)；当3D打印材料为丙烯酸树脂并掺杂碳纳米管时，丙烯酸树脂与碳纳米管质量比为10：(0.01～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为尼龙并掺杂四氧化三铁时，尼龙与四氧化三铁质量比为10：(0.1～2.5)；当3D打印材料为尼龙并掺杂碳纳米管时，尼龙与碳纳米管质量比为10：(0.05～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为聚醚醚酮并掺杂四氧化三铁时，聚醚醚酮与四氧化三铁质量比为10：(0.2～2.5)；当3D打印材料为聚醚醚酮并掺杂碳纳米管时，聚醚醚酮与碳纳米管质量比为10：(0.01～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为流体凝胶并掺杂四氧化三铁时，水凝胶与四氧化三铁质量比为10：(0.05～2.5)；当3D打印材料为水凝胶并掺杂碳纳米管时，水凝胶与碳纳米管质量比为10：(0.01～1)。
所述基于光响应的4D打印材料用于光刻图案、切割样品或在基体表面构建精准的纳米阵列。应用过程中，采用近红外光照射，近红外光源波长为400-808nm，近红外光源功率为0.1-20W。
该4D打印材料应用过程中，通过调节光源的功率、光斑的大小与光照时间来控制光刻图案；或者，通过控制光源的功率、光斑的大小与光照时间来调节样品切割速度、切痕的宽度和深度；在基体表面构建精准的纳米阵列时，利用纳米阵列自身结构对光的反射、衍射、干涉产生结构色，最终实现无墨水打印。
本发明的有益效果在于：
1、本发明利用了纳米四氧化三铁或碳纳米管吸收近红外光能并将其转化为热能。基于纳米四氧化三铁或碳纳米管的光热效应，在近红外光光照射的情况下，在3D打印的物体表面进行有效的光刻操作。
2、本发明提供了一种通过构建周期性的纳米图案在光的干涉、衍射、干涉等物理作用下形成颜色，最终实现无墨水打印的方法。
3、本发明可以通过控制光照时间、光斑大小或光源功率调节光刻图案。
附图说明
图1为4D打印系统部分结构示意图。
图2为4D打印系统整体结构示意图。
具体实施方式
以下实施例进一步阐明发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围限制。
本发明提供一种基于光响应的4D打印材料，该打印材料能在打印的同时实现精准的微纳米光刻，所用4D打印系统是在常规的3D打印系统中加入近红外光装置，通过运动装置连在喷头装置后面；结合数控技术实现精准、可控光刻与切割样品，如图1-2所示。
实施例1：
本实施例中基于光响应的4D打印材料的制备过程如下：
1、制备纳米四氧化三铁粒子：
将FeCl3·6H2O和FeCl2·4H2O按照摩尔比2:1加入到去离子水中混合搅拌，在60℃下滴入1mol/L的NaOH溶液，持续保温搅拌反应2小时，冷却至室温，磁铁分离后冷冻干燥。
2、将100g的ABS树脂与10g四氧化三铁纳米粒子共混，通过挤出机挤出丝状材料用于3D打印材料。
将所得丝状材料3D打印成型，调节近红外光波长为808nm，功率为1W，垂直原位光刻，即可得到4D成型样品。
实施例2
将100g的ABS树脂与1g碳纳米管掺杂共混，通过挤出机挤出丝状材料用于3D打印材料。将上述丝状材料3D打印成型，调节近红外光波长为808nm，功率为1W，垂直原位光刻，即可得到4D成型复杂的图案。
Claims (8)
1.一种基于光响应的4D打印材料，其特征在于：该4D打印材料是在3D打印材料中掺杂碳纳米管或纳米四氧化三铁后，再经共混挤出获得对近红外光敏感的复合材料。
2.根据权利要求1所述的基于光响应的4D打印材料，其特征在于：所述3D打印材料为ABS树脂、聚乳酸树脂、丙烯酸树脂、尼龙、聚醚醚酮或流体凝胶。
3.根据权利要求2所述的基于光响应的4D打印材料，其特征在于：所述纳米四氧化三铁为球形纳米粒子，具有超顺磁性，粒径为10-20nm；所述碳纳米管为多壁碳纳米管，直径≤20nm，长度≤30μm。
4.根据权利要求3所述的基于光响应的4D打印材料，其特征在于：所述纳米四氧化三铁的制备过程为：将FeCl3·6H2O与FeCl2·4H2O按照摩尔比2:1混合，并加入去离子水中混合搅拌，然后在65℃条件下滴入1mol/L氢氧化钠溶液，持续保温搅拌反应2小时，冷却至室温，以磁铁分离后冷冻干燥，即获得所述纳米四氧化三铁。
5.根据权利要求2所述的基于光响应的4D打印材料，其特征在于：所述4D打印材料中，当3D打印材料为ABS树脂并掺杂四氧化三铁时，ABS树脂与四氧化三铁质量比为10：(0.1～1)；当3D打印材料为ABS树脂并掺杂碳纳米管时，ABS树脂与碳纳米管质量比为10：(0.01～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为聚乳酸树脂并掺杂四氧化三铁时，聚乳酸树脂与四氧化三铁质量比为10：(0.2～3)；当3D打印材料为聚乳酸树脂并掺杂碳纳米管时，聚乳酸树脂与碳纳米管质量比为10：(0.05～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为丙烯酸树脂并掺杂四氧化三铁时，丙烯酸树脂与四氧化三铁质量比为10：(0.2～2.5)；当3D打印材料为丙烯酸树脂并掺杂碳纳米管时，丙烯酸树脂与碳纳米管质量比为10：(0.01～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为尼龙并掺杂四氧化三铁时，尼龙与四氧化三铁质量比为10：(0.1～2.5)；当3D打印材料为尼龙并掺杂碳纳米管时，尼龙与碳纳米管质量比为10：(0.05～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为聚醚醚酮并掺杂四氧化三铁时，聚醚醚酮与四氧化三铁质量比为10：(0.2～2.5)；当3D打印材料为聚醚醚酮并掺杂碳纳米管时，聚醚醚酮与碳纳米管质量比为10：(0.01～1)；
所述4D打印材料中，当3D打印材料为流体凝胶并掺杂四氧化三铁时，水凝胶与四氧化三铁质量比为10：(0.05～2.5)；当3D打印材料为水凝胶并掺杂碳纳米管时，水凝胶与碳纳米管质量比为10：(0.01～1)。
6.根据权利要求1-5任一所述的基于光响应的4D打印材料的应用，其特征在于：该4D打印材料用于光刻图案、切割样品或在基体表面构建精准的纳米阵列。
7.根据权利要求6所述的基于光响应的4D打印材料的应用，其特征在于：应用过程中采用近红外光照射，通过调节光源的功率、光斑的大小与光照时间来控制光刻图案；或者，通过控制光源的功率、光斑的大小与光照时间来调节样品切割速度、切痕的宽度和深度；在基体表面构建精准的纳米阵列时，利用纳米阵列自身结构对光的反射、衍射、干涉产生结构色，最终实现无墨水打印。
8.根据权利要求6所述的基于光响应的4D打印材料的应用，其特征在于：应用过程中，近红外光源波长为400-808nm，近红外光源功率为0.1-20W。
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