文|鲸探所
编辑|鲸探所
前言
近年来，随着3D打印技术的迅速发展，材料科学领域正不断涌现出各种创新的应用，这其中，生物质和热塑性聚氨酯的融合，以及形状记忆效应的引入，为材料设计带来了新的可能性。
形状记忆材料作为一种具有智能性能的材料，在工程、医疗、纺织等领域都具备重要应用潜力。
热塑性聚氨酯作为一类具有可塑性和可回收性的材料，与生物质的结合进一步增强了材料的可持续性。
而3D打印技术，以其高精度和定制化的特点，为制备这种复合材料提供了有力支持。
背景
形状记忆材料是一类具有特殊性能的智能材料，其最显著的特点是能够在经历形变后回复到其初始形状的状态，这种奇特的行为源于形状记忆效应，即材料能够通过外部刺激（通常是温度变化或应力作用）实现形状的转变和恢复。
形状记忆材料基于两种主要类型：一种是"一次性"形状记忆材料，另一种是"多次"形状记忆材料，前者在经历一次形变和恢复后会失去记忆效应，而后者则可以多次进行形变和恢复。
形状记忆效应的基本原理涉及材料的相变，在多次形状记忆材料中，常见的机制是“相变记忆效应”，即材料在不同的相之间发生结构性变化。
例如，合金材料通常会在固态和奥氏体相之间进行相变，从而产生形状记忆效应。
在"一次性"形状记忆材料中，通常利用热塑性聚合物或聚合物复合材料，通过温度变化引发材料分子的构型变化，从而实现形状的转变和恢复。
这种独特的形状记忆性能赋予了材料广泛的应用潜力，尤其在科技和工程领域：
医疗器械与生物医学应用：形状记忆材料可以应用于支架、缝合线和药物释放系统等医疗器械中，例如，可以制作能够在体内自行展开的血管支架，减少手术侵入。
航空航天领域：形状记忆材料可以用于制作自适应形状的飞行器零部件，如变形机翼，以优化飞行性能。
建筑与结构工程：形状记忆材料可用于制作自修复的建筑材料，如能够自动填补裂缝的混凝土。
纺织品与服装：形状记忆纤维可用于制作能够根据环境温度变化改变纺织品外观的智能服装。
热塑性聚氨酯（TPU）是一种独特的聚合物材料，其特性在材料工程和应用中广受欢迎，TPU的主要特点包括：
可塑性与可加工性：TPU是一种热塑性聚合物，意味着它在一定温度范围内可以被加热塑形，随后在冷却后保持所塑形状，这使得TPU在制造过程中具有极高的可塑性和可加工性，可用于制作各种形状和尺寸的制品。
优异的弹性与耐磨性：TPU具有出色的弹性和耐磨性，使其在需要耐用性的应用中表现出色。它可以承受重复的应力和形变而不失去其性能。
化学稳定性：TPU对许多化学品和溶剂具有很高的耐受性，这使得它在各种环境中都能保持稳定性和性能。
耐低温性：TPU在低温下仍然能够保持其柔韧性和性能，这使得它在寒冷环境中的应用得以拓展。
制备方法
基于3D打印技术制备生物质/热塑性聚氨酯形状记忆复合材料是一个复杂而有趣的过程，下面将介绍制备这种复合材料的一般步骤和流程：
材料准备：首先，需要准备好生物质和热塑性聚氨酯作为复合材料的基础组分，生物质可以是可再生的天然纤维，如木材纤维或纺织品废弃物，而热塑性聚氨酯则是基础聚合物。
生物质需要经过处理，以获得适合于3D打印的形式，这可能涉及纤维的切割、破碎或磨碎，以获得一定大小和形状的颗粒。
将经过处理的生物质颗粒与热塑性聚氨酯预混，确保两种材料均匀混合，可以通过机械搅拌或熔融混合的方法来实现。
根据所使用的3D打印技术（如FDM、SLA等），设定打印参数，包括打印速度、温度、层高等，这些参数将影响到最终打印品的质量和性能。
使用设定好的参数，将预混料导入3D打印机，开始打印复合材料，3D打印机将按照预定的图案和层次逐层堆叠材料，逐步形成复合材料的结构。
如果需要在复合材料中实现形状记忆效应，可以在3D打印过程中通过调整温度或应力来激活复合材料的形状记忆特性，这可以使复合材料在形变后能够恢复到其初始形状。
完成打印后，可能需要进行后处理步骤，如去除支撑材料、表面光滑处理等，以获得最终的制品。
对打印出的生物质/热塑性聚氨酯形状记忆复合材料进行性能测试，包括形状记忆效应、力学性能等方面的测试。
根据测试结果，可以进行进一步的优化，调整制备参数以提高材料性能。
不同的3D打印技术在制备生物质/热塑性聚氨酯形状记忆复合材料时具有各自的优势和适用性，以下是针对FDM（熔融沉积建模）和SLA（激光光固化）这两种常见的3D打印技术的探讨：
材料多样性：FDM技术可以使用多种热塑性材料，包括热塑性聚氨酯，这使得它适用于制备复合材料。
强度和耐用性：FDM打印出的零件通常具有较高的强度和耐用性，适用于需要较高机械性能的应用。
可制造大尺寸零件：FDM技术适用于制造大尺寸、复杂结构的零件，提供了较大的设计自由度。
高分辨率：SLA技术可以实现非常高的打印分辨率，适用于制造复杂细节和精细结构。
平滑表面：SLA打印的零件表面质量很高，几乎不需要额外的后处理。
材料多样性：SLA技术也适用于多种材料，可以打印出高性能、高温耐受性的聚合物。
DM技术适用于制造机械性能强、大尺寸零件的复合材料，而SLA技术则更适合制造高精度、细节丰富的复合材料制品。
在选择适合的3D打印技术时，需要根据具体应用需求和设计要求来进行考虑。
形状记忆功能的研究与应用
生物质/热塑性聚氨酯复合材料中的形状记忆效应的实现是通过在热塑性聚氨酯基础上引入形状记忆特性，从而赋予复合材料在特定条件下实现形状变化和恢复的能力。
这种效应的实现通常涉及复合材料中的两个关键方面：材料的结构性变化和刺激响应。
形状记忆效应的实现首先要求在复合材料中引入结构性变化的能力，这通常通过引入形状记忆性能较好的热塑性聚氨酯来实现。
在复合材料中，聚氨酯的分子链结构在特定温度或应力条件下会发生可逆的相变，导致材料从一个形状转变为另一个形状，这种相变可以是类似于“记忆”的状态，使材料“记住”两种不同的形状。
实现形状记忆效应的另一个关键是引入适当的刺激，以触发材料的形状变化和恢复，这通常通过温度的变化来实现。
在生物质/热塑性聚氨酯复合材料中，当温度超过或低于特定的转变温度（也称为“相变温度”）时，聚氨酯的分子链会发生相应的结构性变化，导致材料从一个形状转变为另一个形状。
一旦温度恢复到原始状态，材料也会恢复到其初始形状。
在实际应用中，生物质/热塑性聚氨酯复合材料的形状记忆效应可以用于制作一系列智能材料和器件。
例如，可以制造具有可调形状的医疗支架，通过体温作为刺激来实现支架在体内自行调整形状；或者制造能够根据温度变化改变外观的智能纺织品，这些应用充分发挥了生物质/热塑性聚氨酯复合材料在形状记忆方面的独特性能。
生物质/热塑性聚氨酯复合材料的制备和应用突显了其在可持续性和环保方面的显著优势，对于推动绿色创新和可持续发展具有重要意义。
生物质作为复合材料的成分之一，常常是可再生的天然纤维，如木材纤维、纺织品废弃物等，这意味着使用了这些材料不会对自然资源造成过度压力，有助于减少对有限资源的依赖。
生物质/热塑性聚氨酯复合材料的生产过程通常比传统塑料更环保，使用生物质可以减少对化石燃料的需求，从而减少温室气体排放，这些复合材料通常在使用过程中也能够减少对环境的影响，因为它们可以是可降解的或可回收的。
制备生物质/热塑性聚氨酯复合材料可以降低传统塑料的使用，从而减少塑料污染，这对于改善海洋和陆地环境的健康非常重要，有助于减少塑料废弃物对生态系统的影响。
部分生物质/热塑性聚氨酯复合材料具有生物可降解性，意味着它们可以在特定条件下分解为无害的物质，避免了塑料长期存在于环境中的问题。
在全球范围内，对可持续性的关注日益增加，因此生物质/热塑性聚氨酯复合材料作为一种环保和可持续的替代方案，将在各个领域中获得更多的关注和应用，为实现可持续发展目标作出积极贡献。
结论
生物质/热塑性聚氨酯复合材料的研究和应用代表了材料科学领域中的一项重要进展，通过结合生物质的可持续性和热塑性聚氨酯的多功能性，这种复合材料在可编程结构、形状记忆功能以及环保可持续性方面展现出了独特的优势。
在制备过程中，3D打印技术为生物质/热塑性聚氨酯复合材料的制备提供了高度定制化和精确的手段，从FDM到SLA等不同的打印技术，各自具备的优势为复合材料的制备提供了多样的选择，满足不同应用需求。
这种复合材料在形状记忆效应方面也呈现出引人瞩目的特性，通过热敏感性的热塑性聚氨酯和刺激响应机制，使材料能够根据环境条件实现形状的变化和恢复，这为医疗、纺织、航空航天等领域的创新应用提供了新的可能性。
更重要的是，生物质/热塑性聚氨酯复合材料体现了可持续性和环保的理念，其使用可再生的生物质材料，降低了对有限资源的依赖，减少了塑料污染，推动了环境友好型的生产和消费模式。
在可降解性和循环利用方面，这种复合材料也为减少塑料废弃物在环境中的存在提供了解决方案。
因此，生物质/热塑性聚氨酯复合材料不仅在材料科学领域展现了科技创新的魅力，也为可持续发展的实现提供了实际的支持，通过不断深入研究和应用，这种复合材料有望在未来更广泛地应用于各个领域，为社会和环境带来积极的影响。
