3D打印出的聚合物基光纖，與普通光纖有何不同？

      ICC訊 一組研究人員最近在雜志上發(fā)表了一篇論文，證明了將三維(3D)打印聚合物基光纖用于傳感應(yīng)用的可行性。

      溫度傳感器廣泛用于醫(yī)療診斷、發(fā)電機(jī)、空調(diào)和汽車行業(yè)等多種應(yīng)用中，以識(shí)別意外故障或失效并保持最佳工作條件。

      雖然電傳感器通常用于溫度感測，但它們?cè)趷毫迎h(huán)境中效率較低，并且由于磁干擾和電干擾而無法提供準(zhǔn)確的讀數(shù)。

      例如，白光干涉儀、玻璃光纖溫度傳感器和費(fèi)伯瑞-珀羅干涉儀都表現(xiàn)出很高的靈敏度。然而，光纖存在耐久性問題，并且會(huì)受到小的機(jī)械干擾的影響。

      基于聚合物纖維的傳感器可以用來克服這些問題，因?yàn)檫@些傳感器由于其出色的效率和穩(wěn)健的強(qiáng)度而不受任何環(huán)境干擾的影響。雖然基于聚合物的纖維顯示出低靈敏度，但是它們是可重復(fù)使用的并且相對(duì)精確。

      基于聚合物纖維的傳感器可以通過模制或拉制來制造。增材制造(AM)/3D打印工藝通過允許制造定制的光學(xué)裝置或光學(xué)系統(tǒng)的部件，從根本上改變了光學(xué)分析和傳感裝置的發(fā)展。

      開源3D打印機(jī)允許使用滿足目標(biāo)應(yīng)用要求的定制材料。不同的3D打印技術(shù)，例如數(shù)字光處理(DLP)、立體光刻設(shè)備(SLA)、掩模立體光刻設(shè)備(MSLA)和熔融細(xì)絲制造(FFF)可用于打印聚合物光纖。

      在這些技術(shù)中，MSLA是更合適的，因?yàn)樗亲羁斓募夹g(shù)并且具有最高的分辨率。此外，各種材料可以很容易地在MSLA定制復(fù)雜的功能，使不同的材料成分的可能性。因此，MSLA可以有效地用于功能化聚合物復(fù)合材料的制造。

      在合成樹脂期間或之后，可以將對(duì)特定外部觸發(fā)(如磁場/電場、光、離子、溫度或pH)，表現(xiàn)出敏感性的刺激響應(yīng)材料結(jié)合到樹脂中，以將傳感能力或多功能性添加到3D打印結(jié)構(gòu)中。

      在這項(xiàng)研究中，研究人員使用開源的MSLA 3D打印機(jī)，制造了用于溫度傳感應(yīng)用的熱變色聚合物光纖。可逆熱致變色微粉被結(jié)合到3D可打印的聚乙二醇二丙烯酸酯(peg da)/聚甲基丙烯酸羥乙酯(pHEMA)光固化樹脂中，以給制造的光纖增加熱傳感功能。

      對(duì)制造的3D打印纖維的光學(xué)、機(jī)械和物理特性進(jìn)行表征，并在25-32℃的溫度范圍內(nèi)對(duì)纖維的熱感應(yīng)能力進(jìn)行定量光學(xué)分析。研究人員還建立了光強(qiáng)和彎曲角度之間的相關(guān)性，以證明所制造的纖維的應(yīng)變傳感能力。

      pHEMA由于其柔性和良好的生物相容性而被選擇，而PEGDA，一種適于制造可光聚合聚合物的柔性長鏈聚合物，被選擇來幫助交聯(lián)HEMA。TPO可以在385-420 nm紫外(UV)光的存在下引發(fā)光聚合反應(yīng)。熱變色顏料無毒，對(duì)溫度敏感。

      通過在室溫下混合光引發(fā)劑三甲基苯甲?；交趸?TPO)、PEGDA和HEMA，合成了PEGDA/HEMA的光固化樹脂，用于基于PEGDA/HEMA共聚物的光纖的3D打印。

      利用MSLA 3D打印方法成功制備了用于應(yīng)變和溫度傳感應(yīng)用的功能化聚乙二醇單甲醚/HEMA共聚物基熱致變色光纖。由于在其制造中使用的基礎(chǔ)聚合物材料的柔性性質(zhì)，制造的纖維非常柔軟。

      在研究中使用的彩色粉末之間沒有觀察到形態(tài)差異。所有顏料基于它們的顏色在其透射光譜中顯示特征性的下降，并且在含有這些顏色的兩種印刷纖維中也觀察到這種下降。含有紅色和藍(lán)色顏料粉末的樣品由于兩種粉末的浸漬組合而顯示出較大的浸漬。

      熱變色粉末是結(jié)晶的，而所有3D打印的樣品都是無定形的。在3D打印過程和光固化過程中，樹脂和熱變色粉末之間沒有發(fā)生反應(yīng)。

      加入熱變色粉末后，聚合物基光纖的強(qiáng)度降低。透明的PEGDA/pHEMA樣品表現(xiàn)出最高的強(qiáng)度和彈性模量，而紅色/藍(lán)色的PEGDA/pHEMA樣品表現(xiàn)出最低的強(qiáng)度和彈性模量，這是因?yàn)闊嶂伦兩勰┑臐舛茸罡摺?

      微米級(jí)球形熱致變色顆粒均勻分布在整個(gè)聚合物基體中，具有極低的團(tuán)聚。即使在分散后，它們的形狀和結(jié)構(gòu)仍然與原始粉末幾乎相似。此外，3D打印層有效地融合，并且在層之間沒有觀察到孔隙，這表明基于聚合物的熱致變色纖維的成功制造。

      在25°觀察到可區(qū)分的顏色o所有樣品的℃/室溫。然而，樣品在32℃變得透明oc和無法區(qū)分。該效應(yīng)是可逆的，因?yàn)楫?dāng)樣品冷卻到室溫時(shí)，顏色再次變得可見。即使在經(jīng)歷多次冷卻和加熱循環(huán)后，纖維仍顯示出熱敏特性。

      纖維的反射率隨著溫度的升高而增加，并在32o因?yàn)樗鼈兊墓馕战档汀Ｒ虼?，溫度和反射?qiáng)度呈線性關(guān)系。

      光纖遠(yuǎn)程測量液體的溫度變化，精確度高達(dá)25-32o這表明了在生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中使用這些光纖進(jìn)行溫度測量的可行性。在所有樣品中，紅色、綠色和藍(lán)色(RGB)值隨著溫度升高而增加，這表明由于熱致變色響應(yīng)，樣品是透明的。

      當(dāng)聚合物纖維經(jīng)受彎曲條件時(shí)，所有樣品中的光強(qiáng)度顯著降低，在綠色和藍(lán)色光纖中觀察到最高的降低。此外，光強(qiáng)隨著彎曲角度的增加而降低。這種效應(yīng)可用于感測彎曲或應(yīng)變相關(guān)的變化，以預(yù)測結(jié)構(gòu)變形或故障。

      綜上所述，本研究的發(fā)現(xiàn)證明了柔性、成本有效且可重復(fù)使用的刺激響應(yīng)聚合物基光纖在傳感應(yīng)用中具有巨大的潛力。然而，需要更多的開發(fā)和測試才能在現(xiàn)實(shí)世界中大規(guī)模使用它們。