[发明专利]多晶型聚合物弹性体区域化编程制备复杂三维结构的方法

说明书

本发明涉及高分子材料异质性编程及其复杂三维结构制造技术，旨在提供一种多晶型聚合物弹性体区域化编程制备复杂三维结构的方法。包括：预拉伸、墨粉转印、光热效应、三维成型的步骤。本发明中的聚丁烯‑1的晶型II和晶型I具有不同的熔点，因此在形状记忆行为中表现出不同的形状回复温度。当把这种差异性的晶型特征引入同一块材料，即实现了多晶型的区域化编程，在两个区域的协同作用下实现预先设定的三维结构的快速成型。本发明基于工业化的聚丁烯‑1制备弹性体，原料易得，来源稳定。设备简单常用，操作简单灵活，有利于大规模生成。可在热刺激下形成预先设定的具有复杂连续曲面的三维结构；多晶型区域化分布和复杂三维结构均可再编程。

技术领域

本发明涉及高分子材料异质性编程及其复杂三维结构制造技术，更具体地说涉及利用同质多晶型聚合物弹性体通过区域化编程制备复杂三维结构的方法。

背景技术

复杂三维结构在大自然中随处可见，它们在生物中自然形成并提供必要的功能。比如水母的伞状结构是为了快速收缩，依靠排水的推动力前行；捕蝇草的贝壳结构是为了快速合拢捕捉昆虫。受此启发，科学家设计开发出多样形状的功能材料，以满足特定应用场合的用途，如汽车的流线型结构、胶囊的囊泡状结构。

传统的高分子材料成型加工工艺包括挤出、注射、吹塑、纺丝、压延等，但存在形状简单、结构单一等问题。后期发展的先进制造工艺(如3D打印)虽然解决了上述问题，但工艺成本昂贵且用时较长。因此，为了实现复杂三维结构的快速成型，基于异质性可编程的自成形技术被广泛关注并取得了极大的进展。例如，Li课题组在1995年通过双层结构的凝胶实现了可逆弯曲变形(Li等,Science,1995,269,525-527)；Hayward课题组在2012年通过交联密度异质性的凝胶实现了复杂连续曲面的制造(Hayward等,Science,2012,335,1201-1205)；Zhao课题组在2018年通过铁磁性粒子的定向编程实现了软材料的多种复杂结构及运动(Zhao等,Nature,2018,558,274-279)等。

尽管如此，上述构筑异质性编程方法及复杂三维结构的制备方法都存在一定局限，即不能同时满足制备工艺简单和材料可再循环的要求。考虑到其工艺流程需要适合大规模生产的需求，且材料应用需要符合可持续发展的理念。一方面要求异质性的编程方法摆脱复杂的合成工艺和精密的仪器设备，另一方面要求异质性的编程单元可以可逆转换，以多次编程反复利用。由上所述，提出一种操作灵活且可循环利用的构筑复杂三维结构的区域化编程方法仍具有很大挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种多晶型聚合物弹性体区域化编程制备复杂三维结构的方法。本发明通过区域化编程聚丁烯-1的多晶型分布，利用不同晶型熔点和变形行为的差异，构筑复杂的三维结构。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种多晶型聚合物弹性体区域化编程制备复杂三维结构的方法，包括以下步骤：

(1)制备同质多晶型聚合物弹性体

将作为交联剂的过氧化二异丙苯和作为交联助剂的N,N'-间苯基双马来酰亚胺溶解于丙酮中，混合溶液中交联剂和交联助剂的总质量浓度为0.2g/ml；将具备晶型I和晶型II的多晶型聚丁烯-1置于开炼机中，在115℃的条件下混炼10分钟；然后逐滴加入混合溶液，滴加完成后继续混炼10分钟得到共混物，其中聚丁烯-1、交联剂和交联助剂的质量比为100:2:5；将共混物置于平板硫化仪中，在150℃、10MPa的条件热压20分钟得到弹性体薄膜；

(2)将弹性体薄膜加热至晶型I熔点之上且不高于180℃，以完全消除热历史；然后施加恒定应变，并冷却、退火至完全转变为晶型Ⅰ；

(3)利用计算机编程打印图案，并通过激光打印机将墨粉图案转印至弹性体薄膜的表面，以墨粉图案区域作为预拉伸部位；