| 题名 | 4D打印形状记忆聚酰亚胺的制备及其性能研究 |
| 作者 | 李霄 |
| 答辩日期 | 2019-05-22 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 张新瑞 ; 王齐华 |
| 关键词 | 形状记忆聚酰亚胺 3D打印 挤出成型 4D打印 智能器件 Shape memory polyimide 3D printing Extrusion-mold molding 4D printing Smart devices |
| 学位名称 | 工学硕士 |
| 其他题名 | 无 |
| 学位专业 | 材料学 |
| 英文摘要 | 4D打印的概念自2013年提出后逐渐受到研究学者的广泛关注，4D打印与传统3D打印的区别在于第四维度——时间：4D打印的产物不是静止不动的，是能够根据外界环境的改变而自主动态变化的材料。4D打印是3D打印与形状记忆聚合物的交叉学科，形状记忆聚合物对热、光、电、磁、溶剂、生命等外界刺激产生的形状记忆效应为4D打印的产生提供了必要条件，但是目前用于4D打印的形状记忆聚合物常为强度较低的水凝胶或热塑性聚合物，承载能力较差，在打印成型后难以应用到实际工程领域，因此寻求一种可用于4D打印的高强度、高性能形状记忆聚合物是必要的。而另一方面热固性形状记忆聚酰亚胺由于其形状固定率和恢复率高、刺激响应迅速、机械强度强以及耐温性能好，近年来被广泛应用于航空航天、高温部件等领域。然而，形状记忆聚酰亚胺大多为二维薄膜或简单几何形状，难以满足特殊器件复杂的尺寸要求。所以开发出4D打印形状记忆聚酰亚胺无论对于形状记忆聚酰亚胺还是4D打印材料来说都具有重要的意义。基于上述考虑，本论文制备了一种新型形状记忆聚酰亚胺墨水(SMPI)，以构建无收缩的4D热固性形状记忆聚酰亚胺，同时SMPI的热稳定、机械、热机械以及形状记忆性能被详细探讨，设计了模型研究材料的变形能力，并针对不同变形情况的SMPI设计了两种温度响应器件。此外，为了进一步揭示形状记忆聚酰亚胺在摩擦润滑领域内的应用，我们合成了热塑性和热固性形状记忆聚酰亚胺BPDA-ODA，去详细探究形状记忆聚酰亚胺的摩擦机理，得到了以下结论： 1.文中以4,4’-(4,4’-异丙基二苯氧基)二酞酸酐(BPADA)、3,5–二氨基苯甲酸(DABA)和4,4'-二氨基联苯醚(ODA)为前驱体合成形状记忆聚酰亚胺，然后通过甲基丙烯酸-β-羟乙酯(HEMA)和DABA之间的酯化反应引入了可光交联的活性位点。在不同组分的SMPIs中SMPI-3各项性能最优，其热分解温度可以达到431℃、断裂强度为48.1MPa、玻璃化转变温度为160℃。选用SMPI-3进行数字光处理(DLP)3D打印，由于DLP打印时紫外光会诱导墨水发生自由基聚合，通过层层堆叠可以快速制备出不同尺寸的正方形、圆形、多刺钉、飞机、超声电机定子以及宝塔。值得注意的是，打印的高强度物体不仅能抵抗热处理后的收缩，并且具有良好的形状记忆能力，其单层固定率和回复率可以达到99.8%和98.3%，而且最大应变在六次循环中可以维持相对稳定的数值。此外，我们还研究了4D聚酰亚胺对刺激的自主感知和响应，并利用有限元进行模拟。 2.本文还利用制备的SMPI材料去进行挤出成型，通过加入25wt.%的纳米黏土，使墨水具备剪切变稀能力，通过注射器、树脂和UV光源组成的DIW打印模拟系统，挤出成型了厚度均匀且直径为400μm的单根纤维、两根十字交叉叠合的聚酰亚胺纤维和汉字“李”，墨水在挤出成型后可以保持良好的连续性和成型强度，纤维之间没有形成明显的界面，移动速度和材料挤出路径都对纤维的粗细有着很大的影响。并且设计了向量模型研究挤出后材料的变形能力，等厚矩形SMPI会沿着长边卷起成圆柱状，加热变形后矢量旋转了360º，不均匀厚度矩形SMPI、会沿着短边卷起形成圆柱状，加热变形后矢量旋转了180º。同时针对不同变形情况的SMPI设计了温度响应自折叠盒子和温度响应聚酰亚胺夹子。此外，合成了热塑性和热固性形状记忆聚酰亚胺BPDA-ODA。热塑性（TPIs）形状记忆聚酰亚胺的摩擦学性能高度依赖于其分子量，随着分子量降低，材料摩擦系数升高（从TPI1的0.11±0.01到TPI5的0.18±0.02），同时摩擦过程越不平稳，磨损变得严重，体积磨损率Wv从TPI1的1.35×10-6mm3/N∙m变化到TPI5的9.48×10-6mm3/N∙m，磨痕深度也从TPI1的2μm增加到TPI5的14μm，此外，摩擦过程中局部摩擦热诱发线性聚酰亚胺的局部形状记忆效应在一定程度上也增加摩擦系数和磨损率。热固性（CPIs）形状记忆聚酰亚胺的摩擦系数小于TPIs，随着交联密度d逐渐增加，COF在一定范围没有明显的波动，CPI1、CPI2、CPI3、CPI4的Wv分别为2.04×10-6mm3/N∙m、2.42×10-6mm3/N∙m、1.93×10-6mm3/N∙m、6.40×10-6mm3/N∙m，磨损均轻微且低于TPIs。 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.licp.cn/handle/362003/25257]  |
| 专题 | 中国科学院兰州化学物理研究所 |
| 作者单位 | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李霄. 4D打印形状记忆聚酰亚胺的制备及其性能研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019. |
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