《Adv. Mat. 》：4D打印液晶弹性体（LCEs）！一e测试

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《Adv. Mat. 》：4D打印液晶弹性体（LCEs）！

2022-08-22 17:42:32 0 511

研究背景

近年来，不仅在航空、汽车和建筑等传统领域，在电子、生物医学工程和软机器人等各种新兴领域，增材制造（AM）/3D打印都发展迅速。由于对软机器人、生物医学设备、智能穿戴设备等的需求日益增长，3D打印的材料库不再局限于静态材料，而是扩展到了活性材料或刺激响应材料，如形状记忆聚合物、水凝胶、磁性软材料和液晶弹性体（LCEs）。刺激响应材料的主动性为3D打印增加了时间维度，并导致出现4D打印。在用于4D打印的活性材料中，液晶弹性体（LCEs）因具有可逆、可编程和快速驱动能力而备受青睐。

LCE是一类软活性材料，既继承了弹性体的熵弹性，又继承了液晶（或介晶）的分子各向异性。驱动依赖于介子排列，可通过机械拉伸、表面剪切或外场实现。在直接墨水写入（DIW）或数字光处理（DLP）用于特定驱动下打印LCEs方面，近年来已取得了进展。然而，由于在构建平台或前一层上打印LCEs的限制，实现复杂结构（如具有大驱动的空间晶格）仍然是一个挑战。

研究成果

佐治亚理工学院H. Jerry Qi和斯坦福大学Ruike Renee Zhao等人合作报道了一种新的混合4D打印方法，通过使用驱动应变高达-40%的激光辅助DIW动态制造独立LCEs。将该方法与DLP方法集成，用于打印可选结构或可拆卸支架，从而在一步添加过程中创建活动的3D架构。还证明了各种结构，包括混合有源晶格、张拉整体、具有可调稳定性的致动器和三维空间LCE晶格，都可以成功制造。该研究为软机器人、智能结构、活性超材料和智能可穿戴设备等应用提供了新的设计自由度和制造能力。

相关研究工作以“4D Printing of Freestanding Liquid Crystal Elastomers via Hybrid Additive Manufacturing为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

图文速递

为了能够实现独立DIW打印动态LCE，通过可选结构的DLP打印，需要克服两个挑战。第一，LCE油墨应在挤出后快速固化。第二，用于固化LCE的光不应使DLP油墨聚合。为了解决问题一，配制了一种激光固化、室温可打印的LCE油墨（图1A）。除了典型LCE油墨（其包含二丙烯酸酯中间基RM257和RM82以及二硫醇柔性间隔物EDDET）之外，添加了三官能团丙烯酸酯基交联剂（PETA），用于自支撑和快速自由基聚合。为了应对第二个挑战，使用可见光光引发剂PI 784通过波长450nm的激光来固化LCE油墨，可以有效避免使用UV光引发剂PI的DLP油墨的意外固化。

图1. 4D动态打印独立式LCEs

图2. LCE油墨特性和印刷参数

图3. 有源晶格LCE的混合打印

图4. 混合印刷主动张拉整体和致动器

图5. 三维空间LCE晶格

结论与展望

研究者提出了一种通过激光辅助DIW和DLP集成来实现独立LCEs动态4D打印的新方法。为了实现独立打印，合理开发了LCE油墨以实现快速固化。通过印刷喷嘴的移动来拉伸油墨，以提供高达-40%的驱动应变，从而增强印刷LCE的驱动性能。通过三种可选的DLP树脂系统，研究者进一步展示了各种功能，包括有源晶格LCE、张拉整体、具有可调稳定性的致动器和三维空间LCE晶格。这些演示表明，DIW印刷的独立LCEs与DLP印刷材料的结合可以为软机器人、智能结构、活性超和智能可穿戴设备等应用，提供新的设计自由度和制造能力。

文献

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202204890

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