氮氧化物介導(dǎo)的光固化技術(shù)實(shí)現(xiàn)多材料微結(jié)構(gòu)的定制和重構(gòu)

供稿人：王帥偉、連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

來源：中國機(jī)械工程學(xué)會增材制造技術(shù)（3D打印）分會

在傳統(tǒng)光固化成形技術(shù)中，由于不可逆的光固化反應(yīng)，光固化樹脂內(nèi)的自由基在聚合后形成了失活的多相聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。在新興的失活可逆自由基聚合技術(shù)（RDRP）中，聚合物網(wǎng)絡(luò)在交聯(lián)后可進(jìn)行再活化，也就是可逆地使交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)生長失活。這種特性可以使交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具備可再加工性。

法國上阿爾薩斯大學(xué)的Mehdi Belqat等人開發(fā)出一種基于氮氧化物介導(dǎo)的光固化樹脂（含有二苯甲酮基團(tuán)的烷氧基胺，PA1），采用RDRP技術(shù)研究了微結(jié)構(gòu)的制備以及修飾方法，展示了高度可調(diào)的2D 和 3D多材料微結(jié)構(gòu)、精確和連續(xù)的表面圖案[1]。

圖1 氮氧化物介導(dǎo)的光固化機(jī)理和可逆制造功能化制造步驟

如圖 1(a)所示，在特定波長的光照下，含有二苯甲酮基團(tuán)的烷氧基胺可以在沒有催化劑或外部添加劑的情況下進(jìn)行C-O鍵的裂解，該過程可以產(chǎn)生碳自由基（R•）和穩(wěn)定的氮氧化物自由基（•O-NR1R2). R•可在其它樹脂存在的情況下進(jìn)一步交聯(lián)生長為聚合物自由基R-Pn•。在生長過程中，聚合物自由基R-Pn•可被氮氧化物自由基（•O-NR1R2)可逆終止，產(chǎn)生休眠物質(zhì)R-Pn-ONR1R2，這種反應(yīng)特性提供了一種控制自由基聚合的方法。如圖 1(b)所示，通過調(diào)控不同聚合物中的自由基和光波強(qiáng)度及波長，可以使交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)選擇性裂解再交聯(lián)。圖 1(c)為樹脂交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)功能化制造的示意圖。

圖2 3D打印多材料微結(jié)構(gòu)[1]

該團(tuán)隊采用季戊四醇三丙烯酸酯（PETA）和PA1制造出Voronoi結(jié)構(gòu)（20 μm × 20 μm× 20 μm），如圖 2 a）、b）所示， SEM圖像顯示結(jié)構(gòu)組織良好。圖 2 c）、d）展示了該技術(shù)在打印3D微結(jié)構(gòu)時精細(xì)的空間控制能力。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3D微結(jié)構(gòu)的特征定制，通過控制光波功率及波長，實(shí)現(xiàn)多材料微結(jié)構(gòu)的制造與重構(gòu)，為加速RDRP技術(shù)在光固化成形技術(shù)中的使用給出了探索方向。

參考文獻(xiàn)：
BELQAT M, WU X, MORRIS J, et al. Customizable and Reconfigurable Surface Properties of Printed Micro-objects by 3D Direct Laser Writing via Nitroxide Mediated Photopolymerization [J]. Advanced Functional Materials, n/a(n/a): 2211971.