名古屋工業大學開發出以3D列印製作異質聚合物圖案化之技術

 

刊登日期:2023/7/10
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日本名古屋工業大學利用UV照射型3D列印,開發了一項異質聚合物之圖案化技術「數位定域光聚合(Digital Photopatterning)」技術,可在同一樹脂內將具有硬度/柔軟性、彈性/塑性、親水性/疏水性等不同性質之聚合物予以複合化。

在自然界中,昆蟲、甲殼類動物的身體、昆蟲的翅膀、植物等都是透過軟硬層適材適所的配置藉以實現機能化,但大多數的人工樹脂屬於均質物質,因此目前透過分子開發的機能表現仍有其侷限。因此尤其是在次世代產業方面,一般力學上獨特的材料都會受到重視。
 
由於難以在由單一聚合物組成的均質樹脂中表現出複雜的特性,因此名古屋工業大學投入了可以在人造樹脂中仿效自然界中常見之圖案化概念的技術開發。樹脂調製過程中首先是將架橋樹脂薄膜浸漬於乙烯單體(Vinyl Monomer)/光起始劑(Photoinitiato)溶液中,將單體內包其中。接著透過UV光的光聚合將內包單體予以聚合化。於此之際,利用光照射型3D列印(LCD型),將在電腦上繪製之光照射部位的圖案轉印到薄膜上,選擇性地進行聚合。
 
將未反應的單體予以去除、乾燥後,即可獲得不同類型的聚合物沿著光照射圖案形成複合化的圖案薄膜。藉此將無須進行複雜組成之聚合物合成,利用設計軟體的數位方法即可完成各種圖案化。由於圖案界面屬於化學性的連結,不需黏合製程,亦不存在大變形產生界面剝離的問題。
 
利用新開發的技術可調製出具有力學性質異向性(Anisotropy)的材料、透過親水-疏水圖案化形成之局部凝膠薄膜,以及基於挫屈現象(Buckling Phenomenon)之影像變形(Morphing)等展現獨特性能的圖案化樹脂。
 
在最簡單的例子中,研究團隊在將橡膠狀母材樹脂利用經過玻璃狀聚合物圖案化的薄膜進行選擇性位置變形,將N,N-二甲基丙烯醯胺(N,N-Dimethylacrylamide)在圖案化部位進行聚合。此圖案化薄膜在伸長後的收縮卸載過程中,塑性變形性圖案化部分迅速失去應力而完全被拉伸,但具有彈性的母材樹脂部分則恢復其長度。
 
由於收縮卸荷過程中各部位回復的難易程度不同,無法隨著彈性變形部分伸長恢復的塑性變形部位發生屈曲而出現了皺摺。此外,研究團隊也實現了根據最大應變控制摺皺週期(間距),藉此將可望做為由下而上(Bottom-Up)的立體成型(Morphing)技術進行應用。
 
今後利用新技術透過對不同類型的聚合物進行自由圖案化,將可發展與力學性質(強韌性、振動控制性、機械式異向性、摩擦特性)相關的功能,並可應用於機器人、無人機、穿戴式設備、柔性設備等先進產業領域。另一方面,若能掌握組成聚合物的性質,新技術具有可因應每種圖案化模式預先設計最終特性的優點,藉此將能與數位轉型(DX)、人工智慧(AI)等最先進的技術融合應用。今後透過與其他領域的研究合作,將可望進一步實現單一聚合物組成之均質樹脂無法達到的機能。

資料來源: https://www.nitech.ac.jp/news/press/2023/10456.html
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