"3D打印"高取向液晶高分子

來源：高分子材料成型原理
“3D打印”如此前沿的科技相信大家一定不陌生吧。利用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以將打印材料層層堆疊得到藍(lán)圖所設(shè)計(jì)的物品。

3D打印高分子——取向or非取向
隨著3D打印的發(fā)展，對高分子的3D打印技術(shù)也是日漸成熟。目前3D打印的高分子已經(jīng)能夠達(dá)到非常精細(xì)和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但是其力學(xué)性能往往較差。這是因?yàn)楦叻肿拥娜∠蚨群艿�，甚至沒有取向。

通過取向，可以大幅提高高分子在取向方向上的力學(xué)性能、光學(xué)性能等等。楊氏模量在數(shù)值上甚至可以達(dá)到四個(gè)數(shù)量級的差距。

熱致性芳香族聚酯液晶（LCP）
熱致性芳香族聚酯液晶（LCP）在溫度高于材料熔點(diǎn)的條件下可自組裝形成高度取向域，這樣的特點(diǎn)使得LCP在3D打印的過程——熔融、擠出過程中更容易取向，從而打印出了高取向度的高性能液晶高分子。

"殼式"結(jié)構(gòu)
在打印的過程中，由于靠近表面的LCP散熱較快，LCP的取向得以固定。但靠近核心的區(qū)域仍然有較高的溫度，解取向作用仍然很強(qiáng)烈，LCP只有部分取向。這使得打印出來的纖維類似于一種“殼式”結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中不同取向程度使得它們在不同的方向上呈現(xiàn)出不同的力學(xué)性能，當(dāng)較為脆弱的殼斷裂時(shí)，其核心仍能保持完好維持一定的力學(xué)性能。

噴嘴參數(shù)對纖維力學(xué)性能的影響
【1】噴嘴直徑（dN）
噴嘴直徑增加，纖維的力學(xué)性能有所下降，這是由于中心高溫區(qū)占比較大，導(dǎo)致取向度最高的殼層的占比下降，使得總體平均取向度下降。

【2】厚度（h）
厚度越厚，纖維的力學(xué)性能也有所下降，也是由于殼層的占比下降導(dǎo)致總體平均取向度下降。


【3】噴嘴溫度（TN）
溫度越高，纖維的力學(xué)性能也有所下降，溫度高使得中心的解取向作用較為強(qiáng)烈，導(dǎo)致總體平均取向度的降低。

結(jié)語
在3D打印過程中，熱致液晶高分子所表現(xiàn)出的高取向性以及所形成的獨(dú)特核殼結(jié)構(gòu)。使得生產(chǎn)的纖維具有優(yōu)異力學(xué)性能。比目前普遍常用的3D打印的高分子力學(xué)性能高出幾個(gè)數(shù)量級。為未來航天、生物醫(yī)用等領(lǐng)域制備輕質(zhì)高強(qiáng)度材料帶來了無限的可能。

參考文獻(xiàn)：
【1】Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures.  Silvan Gantenbein, Kunal Masania, Wilhelm Woigk, Jens P. W. Sesseg, Theo A. Tervoort & AndréR.Studart
Nature volume 561, pages226–230 (2018)