紡絲3D打印液晶聚合物成型可回收全纖維材料

供稿人：張曼玉 田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

纖維增強高分子作為一種輕質(zhì)剛性材料，廣泛應(yīng)用在飛機，汽車以及生物醫(yī)療設(shè)備中，然而復(fù)合材料卻難以回收不利于可持續(xù)發(fā)展。相比之下，自然界中的輕質(zhì)材料，例如骨骼，蠶絲和木材，通過導(dǎo)向自組裝形成復(fù)雜的分級結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，并且能夠在自然界中循環(huán)再生。2018年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究團隊在Nature雜志上發(fā)表對熱致液晶聚合物3D打印相關(guān)研究，通過3D打印熱致液晶聚合物獲得自組裝成核-殼結(jié)構(gòu)的高強度輕質(zhì)可回收零件[1]。2021年，該團隊在此基礎(chǔ)上通過后續(xù)對熱致液晶聚合物研究，提出紡絲3D打印技術(shù)打印液晶聚合物[2]。為了實現(xiàn)基于熔融擠出的紡絲工藝，研究團隊通過控制聚合物的進(jìn)給速度，在噴頭處集聚熔融聚合物，并最終以高拉絲率拉出纖維。其打印原理如圖1所示。

圖1 全纖維材料紡絲3D打印技術(shù)示意圖

由于紡絲打印成型的纖維增強層合纖維與基體材料同為液晶聚合物因此具有完全可回收性能。紡絲3D打印出的纖維力學(xué)性能隨著纖維絲直徑的增加力學(xué)性能呈下降趨勢。為了評估紡絲打印纖維對正交層合板機械性能影響，對纖維增強層合板施加縱向（0°）和橫向（90°）拉伸載荷，其纖維含量為7.9Vvol%時，拉伸強度和拉伸模量分別提高3.4倍和3倍。該團隊同時探究不同纖維含量下層合板的力學(xué)性能變化規(guī)律，隨著纖維含量的增加其拉伸強度和模量呈增加趨勢。這種紡絲打印技術(shù)可打印如圖2所示的纖維增強復(fù)雜結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)可以設(shè)計在特定的方向改變纖維含量以滿足不同機械負(fù)載條件下的要求。采用紡絲打印的纖維增強復(fù)雜結(jié)構(gòu)為完全可回收且可多次循環(huán)使用，這種技術(shù)可以擴展應(yīng)用到液晶彈性體和熱塑性聚合物來制造全纖維可回收結(jié)構(gòu)。

圖2 紡絲打印纖維增強層合板力學(xué)性能變化規(guī)律及復(fù)雜結(jié)構(gòu)

參考文獻(xiàn)：
Gantenbein, S., Masania, K., Woigk, W. et al. Three-dimensional printing of hierarchical liquid-crystal-polymer structures. Nature 561, 226–230 (2018).
Spin-Printing of Liquid Crystal Polymer into Recyclable and Strong All-Fiber Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2021