用于可变形结构的生物塑料

来源:国际泵阀技术商情

发布时间:2020年2月12日下午 06:02:48

可变形结构(智能结构)能够改变其形状来响应外界刺激。形状的改变是自感应的,无需人工输入能量。在效率和资源节约需求不断增长的情况下,可变形(智能)材料是一种在不增加能源和材料成本的情况下将功能集成到部件中的明智方法。如果用生物塑料生产部件,则可实现更大的可持续性。
标题图:天气敏感型智能幕墙系统的原型(©斯图加特大学计算设计与建筑研究所
 
许多新产品的灵感都源于自然。很少有技术部件能够像天然结构一样很好地适应他们的特定要求并配备完善的附加功能。例如:松果可以在不良的条件下将种子紧紧地包裹起来而在温暖干燥的环境中将鳞片打开。这种由温度和湿度引起的形状变化是被动发生的,仅仅只是材料结构的结果。因此,这种变化在松果死亡后也会发生。
 
智能结构也基于这一原理。它们通过改变形状来响应外界刺激(例如:温度、应力、湿度和光线),相当于集传感器、驱动器和控制器于一体。因此,无需使用其他容易发生故障的部件即可将附加的功能集成到部件中去。这种形状变化无需人工能量输入,仅由环境条件诱发。此类智能结构可应用于医疗技术、汽车行业和建筑领域。
 
为了研究这种结构是否可通过现代生产工艺用生物基塑料制造,德国斯图加特大学塑料工程研究所(IKT)和计算设计与建筑研究所(ICD)开展了一个联合研究项目。该项目开发了一种基于生物塑料的结构,它能够以预计算的方式对湿度进行响应。负责形状变化的混合分层结构一般用两条对湿度敏感度不同的细丝通过绞线铺设工艺生产。
 
通过绞线工艺生产的智能结构
 
绞线铺设工艺(熔融分层建模或FLM)是一种增材制造工艺,塑料细丝通过窄模挤出并按这种方式沉积进而逐层构建部件。
 
该工艺无需使用特定的模具即可生成复杂的形状。常用的材料包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和生物基塑料聚丙交酯(PLA,聚乳酸)。
 
多组分打印是一种特别适合用FLM工艺生产智能结构的方法。我们将无源载体材料与活性组分(例如:它会对湿度做出膨胀反应)结合在了一起。通过这种方式可以打印出一种以预计算的方式改变形状的结构,具体取决于相应材料属性的差异。通过在打印过程中适当地调整细丝沉积路径,部件的弯曲方向、精确角度和反应时间均可控制。
 
生物塑料是否适用于智能结构?
 
近年来,人们对现有资源可持续利用的需求已大大增加。其中一个方向是生物基塑料。这些由可再生原料(例如:玉米、甘蔗和农业废料)组成的生物基塑料正成为人们日益关注的焦点。为了研究它们是否也适用于智能结构,该研究项目还专门研究了生物基材料的应用。
 
最常见的生物塑料代表是聚乳酸。它不仅是生物基而且是可生物降解聚合物。这也为废弃处置提供了更多的可能性。聚羟基链烷酸酯(PHA)聚合物基团及其最常见的代表聚羟基丁酸戊酸共聚酯(PHBV)也是完全生物基的材料,并且可在海水中生物降解。这使其对一次性包装和户外应用而言特别有用。
 
所谓的普适型塑料也很受关注。这些传统塑料的原材料全部或部分源于生物基资源。它们与石油基同类产品的差别很小或根本没有差别,因此可以在不大幅度调整工艺的情况下集成到生产中。尽管这些塑料不具备可生物降解的优势,但在制造过程中使用可再生资源可实现循环生命周期并减少化石材料的二氧化碳排放量。
 
智能材料背后的技术
 
该项目使用的智能充填材料通过斯图加特Coperion公司生产的ZSK26双螺杆挤出机混合而成。这种材料使用了两种完全生物基塑料PLA和PHBV、部分生物基热塑性聚氨酯(TPU)和聚酰胺6.10(PA610)以及基于温室气体一氧化碳的聚酮(PK)。试用过的可膨胀填料包括木粉、纤维素粉和天然钠基膨润土。
 
直径为1.75mm的细丝通过德国迈滕贝特Collin公司的实验室挤出机挤出。为了确保在标准的市售细丝打印机上实现优化加工,最大直径公差设为0.05mm。理想情况下,细丝必须是完美的圆形。这些要求一直受到德国新伊森堡Keyence公司的ZumbachOdac15XY-J激光千分尺和wiremaster系统的持续监控。所制得化合物的流变性能则通过英国纽卡斯尔TAInstruments公司的DiscoveryHR2混合型流变仪在185°C的温度条件下进行测试。如此就可以对细丝的可挤出性做出预测。为了确定机械性能,我们还在德国乌尔姆Zwick公司生产的通用试验机上进行了拉伸试验。通过德国洛斯堡Arburg公司的Allrounder520S生产的拉伸试验样品还提供了薄切片用于光学显微镜研究。
 
膨胀性评估
 
膨胀性是项目取得成功的重要性能之一。由于在某些情况下体积可能会产生约1%的变化并且填充的细丝具有多孔结构,因此事先排除了一些明确的测试方法,例如:密度测定、显微镜观察以及测量在水中重量的增加。因此,为了得出材料膨胀性的结论,需要内部开发一种特殊的方法。
 
这种方法将置于水中的料粒放在一个合适的扫描仪平台上并定期(2、4、8和24小时)进行扫描(图1)。通过分析这些表面扫描图可以确定这些料粒投影表面的二维放大。假设料粒在所有方向上均匀膨胀,它将给出体积变化的简化图。
 
图1 测试所用材料的膨胀性需要采用一种 全新的方法(©IKT)
 
图2中PLA化合物的扫描图表明,纤维素具有最大的膨胀潜力。其表面积在24小时之后增加了4%以上。相比之下,木粉几乎没有明显的体积增加。因此,木粉不适合用作PLA的可膨胀填料。此外,膨润土的体积在24小时之后增加了约1.5%。纯PLA的基线在测量误差范围内。因此,可以认定PLA不会因吸水而产生形状变化。这个发现非常重要,因为PLA在适印性测试中被用作活性膨胀细丝的无源载体材料。
 
图2通过表面扫描对PLA化合物的膨胀性进行测试(来源:IKT)
 
成功的形状变化
 
但是,对于打印部件而言,其产生的机械力不足以引起生物塑料PLA和PHBV的形状变化,因为这些塑料既脆又硬。出于这一原因,研究人员开始寻找细丝沉积工艺中用过的具有较高可扩展性的生物基替代品。考虑使用的基体材料包括PA610、PK和TPU。表1给出了这些基体材料最重要的机械性能,它们根据各个制造商的数据表测得。流变测试表明,用于第二生产阶段的基体材料的粘度非常低(图3)。它们的纤维填充化合物具有大幅增加的粘度。就TPU和PK而言,如通过先前的化合物所观察到的,流动受到阻碍。
 
表1所选生物塑料的机械性能
 
图3第二生产阶段的基体材料和化合物的流变特性(来源:IKT)
 
第二生产阶段的细丝被打印在未填充PLA的保护层上。在气候室中进行的形状变化测试表明,所有这些化合物都发生了明显的形状变化(图4)。图4最左边显示了不同情况下的市售WPC细丝(木塑复合材料)试条。很明显,本项目生产的智能材料能够发生像基准所示明显的形状变化。TPU甚至超过了该基准,短时间内就发生了明显的形状变化。所示图片每隔十分钟拍摄一次。在70分钟之后拍摄的最后一张图中,填充TPU细丝(最右边)几乎已经完成了从凸状到扁平的形状变化。
 
图4第二生产阶段的细丝在从湿(左上)到干(右下)的过渡过程中的形状变化(f.l.t.r.:WPC、PK+30%纤维素,TPU+30%纤维素),图片每隔十分钟拍摄一次(©斯图加特大学计算设计与建筑研究所)
 
第二生产阶段细丝成功的形状变化证实了湿敏材料以及基体聚合物的机械性能都会对随后的部件形状变化产生很大的影响。通过选用刚度较小的基体聚合物PA610、PK和TPU即可产生明显的形状变化。
 
结语与展望
 
该研究项目清楚地表明了,基于可再生资源的湿敏智能材料是能够生产的。但是,在第一个生产阶段选用完全生物基塑料PLA和PHBV时,无论使用哪种可用的膨胀填料(纤维素、木粉和膨润土)都无法观察到打印结构的形状变化。只有使用部分生物基塑料才能发生形状改变。这些材料在最大形状变化和变化速度方面均超过了基准。完全生物基塑料和部分生物基塑料之间的巨大差异可能是因为它们的硬度不同。
 
既然已经证明生物基智能材料是能够生产的,那么未来应更仔细地研究各个配方成分的影响。这也意味着不同基体聚合物的选择和可用生物聚合物的组合。填料的种类也应详细研究。迄今为止,仅有纤维素发生了形状变化。此外,还需进一步研究形状变化与填料含量之间的关系。但是,与此同时,生物基原料的含量也应进一步增加。两家研究所目前正在为生产的智能结构寻找应用领域,例如:作为幕墙元素或用于通风领域。
 

 

本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志

作者:Silvia Kliem,Christian Bonten

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