文|鯨探所
編輯|鯨探所
前言
近年來，隨著3D列印技術的迅速發展，材料科學領域正不斷湧現出各種創新的應用，這其中，生物質和熱塑性聚氨酯的融合，以及形狀記憶效應的引入，為材料設計帶來了新的可能性。
形狀記憶材料作為一種具有智能性能的材料，在工程、醫療、紡織等領域都具備重要應用潛力。
熱塑性聚氨酯作為一類具有可塑性和可回收性的材料，與生物質的結合進一步增強了材料的可持續性。
而3D列印技術，以其高精度和定製化的特點，為製備這種複合材料提供了有力支持。
背景
形狀記憶材料是一類具有特殊性能的智能材料，其最顯著的特點是能夠在經歷形變後回復到其初始形狀的狀態，這種奇特的行為源於形狀記憶效應，即材料能夠通過外部刺激（通常是溫度變化或應力作用）實現形狀的轉變和恢復。
形狀記憶材料基於兩種主要類型：一種是"一次性"形狀記憶材料，另一種是"多次"形狀記憶材料，前者在經歷一次形變和恢復後會失去記憶效應，而後者則可以多次進行形變和恢復。
形狀記憶效應的基本原理涉及材料的相變，在多次形狀記憶材料中，常見的機制是「相變記憶效應」，即材料在不同的相之間發生結構性變化。
例如，合金材料通常會在固態和奧氏體相之間進行相變，從而產生形狀記憶效應。
在"一次性"形狀記憶材料中，通常利用熱塑性聚合物或聚合物複合材料，通過溫度變化引發材料分子的構型變化，從而實現形狀的轉變和恢復。
這種獨特的形狀記憶性能賦予了材料廣泛的應用潛力，尤其在科技和工程領域：
醫療器械與生物醫學應用：形狀記憶材料可以應用於支架、縫合線和藥物釋放系統等醫療器械中，例如，可以製作能夠在體內自行展開的血管支架，減少手術侵入。
航空航天領域：形狀記憶材料可以用於製作自適應形狀的飛行器零部件，如變形機翼，以優化飛行性能。
建築與結構工程：形狀記憶材料可用於製作自修復的建築材料，如能夠自動填補裂縫的混凝土。
紡織品與服裝：形狀記憶纖維可用於製作能夠根據環境溫度變化改變紡織品外觀的智能服裝。
熱塑性聚氨酯（TPU）是一種獨特的聚合物材料，其特性在材料工程和應用中廣受歡迎，TPU的主要特點包括：
可塑性與可加工性：TPU是一種熱塑性聚合物，意味著它在一定溫度範圍內可以被加熱塑形，隨後在冷卻後保持所塑形狀，這使得TPU在製造過程中具有極高的可塑性和可加工性，可用於製作各種形狀和尺寸的製品。
優異的彈性與耐磨性：TPU具有出色的彈性和耐磨性，使其在需要耐用性的應用中表現出色。它可以承受重複的應力和形變而不失去其性能。
化學穩定性：TPU對許多化學品和溶劑具有很高的耐受性，這使得它在各種環境中都能保持穩定性和性能。
耐低溫性：TPU在低溫下仍然能夠保持其柔韌性和性能，這使得它在寒冷環境中的應用得以拓展。
製備方法
基於3D列印技術製備生物質/熱塑性聚氨酯形狀記憶複合材料是一個複雜而有趣的過程，下面將介紹製備這種複合材料的一般步驟和流程：
材料準備：首先，需要準備好生物質和熱塑性聚氨酯作為複合材料的基礎組分，生物質可以是可再生的天然纖維，如木材纖維或紡織品廢棄物，而熱塑性聚氨酯則是基礎聚合物。
生物質需要經過處理，以獲得適合於3D列印的形式，這可能涉及纖維的切割、破碎或磨碎，以獲得一定大小和形狀的顆粒。
將經過處理的生物質顆粒與熱塑性聚氨酯預混，確保兩種材料均勻混合，可以通過機械攪拌或熔融混合的方法來實現。
根據所使用的3D列印技術（如FDM、SLA等），設定列印參數，包括列印速度、溫度、層高等，這些參數將影響到最終列印品的質量和性能。
使用設定好的參數，將預混料導入3D印表機，開始列印複合材料，3D印表機將按照預定的圖案和層次逐層堆疊材料，逐步形成複合材料的結構。
如果需要在複合材料中實現形狀記憶效應，可以在3D列印過程中通過調整溫度或應力來激活複合材料的形狀記憶特性，這可以使複合材料在形變後能夠恢復到其初始形狀。
完成列印後，可能需要進行後處理步驟，如去除支撐材料、表面光滑處理等，以獲得最終的製品。
對列印出的生物質/熱塑性聚氨酯形狀記憶複合材料進行性能測試，包括形狀記憶效應、力學性能等方面的測試。
根據測試結果，可以進行進一步的優化，調整製備參數以提高材料性能。
不同的3D列印技術在製備生物質/熱塑性聚氨酯形狀記憶複合材料時具有各自的優勢和適用性，以下是針對FDM（熔融沉積建模）和SLA（激光光固化）這兩種常見的3D列印技術的探討：
材料多樣性：FDM技術可以使用多種熱塑性材料，包括熱塑性聚氨酯，這使得它適用於製備複合材料。
強度和耐用性：FDM列印出的零件通常具有較高的強度和耐用性，適用於需要較高機械性能的應用。
可製造大尺寸零件：FDM技術適用於製造大尺寸、複雜結構的零件，提供了較大的設計自由度。
高解析度：SLA技術可以實現非常高的列印解析度，適用於製造複雜細節和精細結構。
平滑表面：SLA列印的零件表面質量很高，幾乎不需要額外的後處理。
材料多樣性：SLA技術也適用於多種材料，可以列印出高性能、高溫耐受性的聚合物。
DM技術適用於製造機械性能強、大尺寸零件的複合材料，而SLA技術則更適合製造高精度、細節豐富的複合材料製品。
在選擇適合的3D列印技術時，需要根據具體應用需求和設計要求來進行考慮。
形狀記憶功能的研究與應用
生物質/熱塑性聚氨酯複合材料中的形狀記憶效應的實現是通過在熱塑性聚氨酯基礎上引入形狀記憶特性，從而賦予複合材料在特定條件下實現形狀變化和恢復的能力。
這種效應的實現通常涉及複合材料中的兩個關鍵方面：材料的結構性變化和刺激響應。
形狀記憶效應的實現首先要求在複合材料中引入結構性變化的能力，這通常通過引入形狀記憶性能較好的熱塑性聚氨酯來實現。
在複合材料中，聚氨酯的分子鏈結構在特定溫度或應力條件下會發生可逆的相變，導致材料從一個形狀轉變為另一個形狀，這種相變可以是類似於「記憶」的狀態，使材料「記住」兩種不同的形狀。
實現形狀記憶效應的另一個關鍵是引入適當的刺激，以觸發材料的形狀變化和恢復，這通常通過溫度的變化來實現。
在生物質/熱塑性聚氨酯複合材料中，當溫度超過或低於特定的轉變溫度（也稱為「相變溫度」）時，聚氨酯的分子鏈會發生相應的結構性變化，導致材料從一個形狀轉變為另一個形狀。
一旦溫度恢復到原始狀態，材料也會恢復到其初始形狀。
在實際應用中，生物質/熱塑性聚氨酯複合材料的形狀記憶效應可以用於製作一系列智能材料和器件。
例如，可以製造具有可調形狀的醫療支架，通過體溫作為刺激來實現支架在體內自行調整形狀；或者製造能夠根據溫度變化改變外觀的智能紡織品，這些應用充分發揮了生物質/熱塑性聚氨酯複合材料在形狀記憶方面的獨特性能。
生物質/熱塑性聚氨酯複合材料的製備和應用突顯了其在可持續性和環保方面的顯著優勢，對於推動綠色創新和可持續發展具有重要意義。
生物質作為複合材料的成分之一，常常是可再生的天然纖維，如木材纖維、紡織品廢棄物等，這意味著使用了這些材料不會對自然資源造成過度壓力，有助於減少對有限資源的依賴。
生物質/熱塑性聚氨酯複合材料的生產過程通常比傳統塑料更環保，使用生物質可以減少對化石燃料的需求，從而減少溫室氣體排放，這些複合材料通常在使用過程中也能夠減少對環境的影響，因為它們可以是可降解的或可回收的。
製備生物質/熱塑性聚氨酯複合材料可以降低傳統塑料的使用，從而減少塑料污染，這對於改善海洋和陸地環境的健康非常重要，有助於減少塑料廢棄物對生態系統的影響。
部分生物質/熱塑性聚氨酯複合材料具有生物可降解性，意味著它們可以在特定條件下分解為無害的物質，避免了塑料長期存在於環境中的問題。
在全球範圍內，對可持續性的關注日益增加，因此生物質/熱塑性聚氨酯複合材料作為一種環保和可持續的替代方案，將在各個領域中獲得更多的關注和應用，為實現可持續發展目標作出積極貢獻。
結論
生物質/熱塑性聚氨酯複合材料的研究和應用代表了材料科學領域中的一項重要進展，通過結合生物質的可持續性和熱塑性聚氨酯的多功能性，這種複合材料在可編程結構、形狀記憶功能以及環保可持續性方面展現出了獨特的優勢。
在製備過程中，3D列印技術為生物質/熱塑性聚氨酯複合材料的製備提供了高度定製化和精確的手段，從FDM到SLA等不同的列印技術，各自具備的優勢為複合材料的製備提供了多樣的選擇，滿足不同應用需求。
這種複合材料在形狀記憶效應方面也呈現出引人矚目的特性，通過熱敏感性的熱塑性聚氨酯和刺激響應機制，使材料能夠根據環境條件實現形狀的變化和恢復，這為醫療、紡織、航空航天等領域的創新應用提供了新的可能性。
更重要的是，生物質/熱塑性聚氨酯複合材料體現了可持續性和環保的理念，其使用可再生的生物質材料，降低了對有限資源的依賴，減少了塑料污染，推動了環境友好型的生產和消費模式。
在可降解性和循環利用方面，這種複合材料也為減少塑料廢棄物在環境中的存在提供了解決方案。
因此，生物質/熱塑性聚氨酯複合材料不僅在材料科學領域展現了科技創新的魅力，也為可持續發展的實現提供了實際的支持，通過不斷深入研究和應用，這種複合材料有望在未來更廣泛地應用於各個領域，為社會和環境帶來積極的影響。
