[发明专利]一种TPU基磁响应4D打印耗材的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种TPU基磁响应4D打印耗材的制备方法及其应用。首先对Fe₃O₄进行表面活性反应制得Fe₃O₄活性功能颗粒，然后通过熔融共混法将Fe₃O₄活性功能颗粒引入形状记忆性能优异的半结晶状TPU树脂中，再通过双螺杆挤出挤出制得TPU基磁响应4D打印耗材。该TPU基磁响应4D打印耗材应用于FDM技术打印磁响应智能结构件。本发明通过简单的方法制得TPU基磁响应4D打印耗材，且所制得的TPU基磁响应4D打印耗材具有灵敏的磁响应性，以及优异的热学、力学和形状记忆性能。4D打印出的智能结构件磁响应灵敏且机械性能优异。

技术领域

本发明属于智能材料技术领域，特别涉及一种TPU基磁响应4D打印耗材的制备方法及其应用。

背景技术

在2013年的娱乐和设计（TED）大会上，来自麻省理工学院的Tibbits首次提出了4D打印（Four-dimensional Printing）的概念。所谓4D打印是指比3D打印（Three-dimensional Printing）多了一个“Dimension”，即时间维度。换句话说，也就是采用3D打印加工所得的三维物体，在特定的环境和激励下（如电、光、磁、水、热及声音等），其物理特性及功能（结构、形态、尺寸等）能够随时间的变化而发生自我转变。简单讲，4D打印是3D打印和智能材料的结合。3D打印所加工出的物体是静止的，无生命的。而4D打印在3D打印的基础上增加了一个时间的维度，所得到的物体不再是静止的、无生命的，其形态和结构是随时间发生动态变化的。4D打印将改变过去传统的“机械传动＋电机驱动”模式，不需要连接任何复杂的机电设备。毫无疑问，4D打印的定位高于3D打印，4D打印使传统制造技术难以实现的低成本、高效率、智能化复杂结构的制造成为现实，其研究的开展对于未来推动智能材料的发展具有重要的理论和现实意义。

Tibbits打印的一维聚氯乙烯（PVC）绳状物在水环境的刺激下可自动折叠成复杂的三维结构。Sydney Gladman A等打印的三维花朵同样在水环境的刺激下自动卷曲为风车状。这些都实现了4D打印。可以看出4D打印不仅使制备复杂的三维立体结构成为可能，并且所获得的结构是智能的、可以随外界环境变化发生刺激响应从而实现结构及功能的转变，该项技术具有广泛的应用前景。目前制约4D打印的瓶颈主要在于智能材料。SMP（Shapememory polymer）作为智能材料中的一个重要分支，具有形变量大、赋形容易、形状响应温度便于调整、保温绝缘性能好、抗腐蚀性好、易着色、质轻价廉等特点，大到航空航天材料和建筑结构材料，小到工程销钉和人体内医用药物缓释载体，均展示了其广阔的应用前景。近年来，基于SMP的4D打印研究掀起了学术界广泛的研究热潮。香港理工大学Yang等人、美国德克萨斯大学达拉斯分校的Shaffer等人、美国乔治华盛顿大学的Miao等人、中国科学院大学Yu等人、以色列卡萨利应用化学中心Zarek等人、新加坡科技大学Ge等人、浙江大学Huang等人、美国佐治亚理工学院Wu等人、哈尔滨工业大学Yang等人研究了4D打印热驱动SMP，俄罗斯国立科技大学Senatov等人、美国佐治亚理工学院Ge等人研究了4D打印热驱动SMP复合材料。可以说，SMP材料已成为当前4D 打印技术最为常用的耗材。这使SMP材料及其结构件的进一步发展具备了新的空间和可能性，同时也牵动了诸多高科技领域的发展。而实现SMP材料4D打印的关键在于SMP材料的结构设计和3D打印技术的优化。