溶液3D打印聚甲酸乙烯酯及其在形状记忆传感和太阳能蒸发中的应用

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随着当前推动智能制造和创造创新社会的实施,迅速发展的3D打印技术已经应用于电子、生物医学和航空航天等领域,但3D打印技术在其他方面仍有很大的发展空间。基于聚合物的3D打印通常是由熔融流体或凝胶而不是聚合物溶液生成的。本文受聚合物纤维连续湿法纺丝的启发,我们将PVA溶于甲酸,并进行原位甲酯化反应,开发了一种新型的聚甲酸乙烯酯(PVFm)油墨。该油墨通过水或碱性水直接快速凝固,逐层模塑成设计好的三维弹性结构,随后加入吡咯单体进行原位聚合,在3D打印样品表面复合聚吡咯(PPy),制备了PPy@PVFm高弹性形状记忆传感器。通过控制反应时间和反应温度,能调控PVFm的酯化率,以红外、力学性能测试、热重分析和电位滴定等手段研究了PVFm的结构性质、力学性能、热稳定性和酯化率。在反应时间为3小时、反应温度为50℃的条件下,PVFm酯化率最高为57.4%,且断裂伸长率为1100%,PVFm酯化率为16.8%时,拥有27.1 MPa的最大力学强度。酯化率为57.4%的PVFm以水为凝固浴湿法纺丝制成的纤维拥有最高的断裂伸长率(360%)。此外,酯基的引入提高了PVFm的热稳定性。将得到的反应原液作为3D打印油墨,以乙醇、水和氢氧化钠溶液作为凝固浴,进行溶液3D打印。利用拍摄打印样品照片、扫描电镜(SEM)的方法来观察3D打印的连续性和微观形貌。当挤出速度为0.0012 ml/s、打印速度为6 mm/s,打印油墨酯化率为57.4%时,能够确保打印的连续性和最佳的打印效果。对原PVFm3D打印样品和吡咯单体进行原位聚合,制备了PPy@PVFm智能传感器。通过红外、SEM等手段证明了吡咯在打印样品表面的聚合,因其具有导电性而被应用于智能传感。PPy@PVFm受到应力和压力等外力时,会产生电阻值变化。PPy@PVFm应变传感器和压力传感器拟合曲线的线性相关系数(R~2)为0.99和0.99。传感器在长时间循环测试后能保持良好的重现性和稳定性。PPy@PVFm压力传感器能对人体小规模(手指弯曲、手臂弯曲、颈部运动和喉部运动)和大规模运动(走路、跳跃和下蹲)进行实时监测。对PPy@PVFm进行太阳能蒸发方面的应用,通过对3D打印模型进行优化,调控不同管道孔径和不同模型。我们发现孔道长宽为1·1 mm、单元结构4的太阳能蒸发器对于海水、工业高盐废水和蒸氨废水等具有最好的蒸发速率,蒸发速率均大于1.2 kg·m-2·h-1,而且可进行室外蒸发,各污染物的去除率基本能达到96%以上,平均每天能产出9.1-10.4 kg·m-2的清洁水。
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