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(cè),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(wú)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(wèn)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(lái)克服這些問(wèn)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(guò)模制或拉制來(lái)制造。增材制造(AM)/3D打印工藝通過(guò)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(kāi)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(shù)脂期間或之后,可以將對(duì)特定外部觸發(fā)(如磁場(chǎng)/電場(chǎng)、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(shù)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(kāi)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??赡鏌嶂伦兩⒎郾唤Y(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(shù)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(zhǎng)鏈聚合物,被選擇來(lái)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(wú)毒,對(duì)溫度敏感。
通過(guò)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(shù)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(méi)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(wú)定形的。在3D打印過(guò)程和光固化過(guò)程中,樹(shù)脂和熱變色粉末之間沒(méi)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(méi)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(wú)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(jiàn)。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?。因此,溫度和反射?qiáng)度呈線性關(guān)系。
光纖遠(yuǎn)程測(cè)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(cè)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(cè)彎曲或應(yīng)變相關(guān)的變化,以預(yù)測(cè)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(kāi)發(fā)和測(cè)試才能在現(xiàn)實(shí)世界中大規(guī)模使用它們。
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