供稿人：张曼玉 田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2022-03-06
纤维增强高分子作为一种轻质刚性材料，广泛应用在飞机，汽车以及生物医疗设备中，然而复合材料却难以回收不利于可持续发展。相比之下，自然界中的轻质材料，例如骨骼，蚕丝和木材，通过导向自组装形成复杂的分级结构，从而表现出优异的力学性能，并且能够在自然界中循环再生。2018年，瑞士苏黎世联邦理工学院研究团队在Nature杂志上发表对热致液晶聚合物3D打印相关研究，通过3D打印热致液晶聚合物获得自组装成核-壳结构的高强度轻质可回收零件[1]。2021年，该团队在此基础上通过后续对热致液晶聚合物研究，提出纺丝3D打印技术打印液晶聚合物[2]。为了实现基于熔融挤出的纺丝工艺，研究团队通过控制聚合物的进给速度，在喷头处集聚熔融聚合物，并最终以高拉丝率拉出纤维。其打印原理如图1所示。
图1 全纤维材料纺丝3D打印技术示意图
由于纺丝打印成型的纤维增强层合纤维与基体材料同为液晶聚合物因此具有完全可回收性能。纺丝3D打印出的纤维力学性能随着纤维丝直径的增加力学性能呈下降趋势。为了评估纺丝打印纤维对正交层合板机械性能影响，对纤维增强层合板施加纵向（0°）和横向（90°）拉伸载荷，其纤维含量为7.9Vvol%时，拉伸强度和拉伸模量分别提高3.4倍和3倍。该团队同时探究不同纤维含量下层合板的力学性能变化规律，随着纤维含量的增加其拉伸强度和模量呈增加趋势。这种纺丝打印技术可打印如图2所示的纤维增强复杂结构，且这种结构可以设计在特定的方向改变纤维含量以满足不同机械负载条件下的要求。采用纺丝打印的纤维增强复杂结构为完全可回收且可多次循环使用，这种技术可以扩展应用到液晶弹性体和热塑性聚合物来制造全纤维可回收结构。
图2 纺丝打印纤维增强层合板力学性能变化规律及复杂结构