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用的可行性。

      溫度傳感器廣泛用于醫(yī)療診斷、發(fā)電機、空調和汽車行業(yè)等多種應用中，以識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，但它們在惡劣環(huán)境中效率較低，并且由于磁干擾和電干擾而無法提供準確的讀數(shù)。

      例如，白光干涉儀、玻璃光纖溫度傳感器和費伯瑞-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，并且會受到小的機械干擾的影響。

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

      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裝置或光學系統(tǒng)的部件，從根本上改變了光學分析和傳感裝置的發(fā)展。

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

      在這些技術中，MSLA是更合適的，因為它是最快的技術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合材料的制造。

      在合成樹脂期間或之后，可以將對特定外部觸發(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材料結合到樹脂中，以將傳感能力或多功能性添加到3D打印結構中。

      在這項研究中，研究人員使用開源的MSLA 3D打印機，制造了用于溫度傳感應用的熱變色聚合物光纖?？赡鏌嶂伦兩⒎郾唤Y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。

      對制造的3D打印纖維的光學、機械和物理特性進行表征，并在25-32℃的溫度范圍內對纖維的熱感應能力進行定量光學分析。研究人員還建立了光強和彎曲角度之間的相關性，以證明所制造的纖維的應變傳感能力。

      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。熱變色顏料無毒，對溫度敏感。

      通過在室溫下混合光引發(fā)劑三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦(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變和溫度傳感應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聚合物材料的柔性性質，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。

      加入熱變色粉末后，聚合物基光纖的強度降低。透明的PEGDA/pHEMA樣品表現(xiàn)出最高的強度和彈性模量，而紅色/藍色的PEGDA/pHEMA樣品表現(xiàn)出最低的強度和彈性模量，這是因為熱致變色粉末的濃度最高。

      微米級球形熱致變色顆粒均勻分布在整個聚合物基體中，具有極低的團聚。即使在分散后，它們的形狀和結構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。該效應是可逆的，因為當樣品冷卻到室溫時，顏色再次變得可見。即使在經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因為它們的光吸收降低。因此，溫度和反射強度呈線性關系。

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

      當聚合物纖維經受彎曲條件時，所有樣品中的光強度顯著降低，在綠色和藍色光纖中觀察到最高的降低。此外，光強隨著彎曲角度的增加而降低。這種效應可用于感測彎曲或應變相關的變化，以預測結構變形或故障。

      綜上所述，本研究的發(fā)現(xiàn)證明了柔性、成本有效且可重復使用的刺激響應聚合物基光纖在傳感應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)實世界中大規(guī)模使用它們。