3D打印出的聚合物基光纤，与普通光纤有何不同？

      ICC讯 一组研究人员最近在杂志上发表了一篇论文，证明了将三维(3D)打印聚合物基光纤用于传感应用的可行性。

      温度传感器广泛用于医疗诊断、发电机、空调和汽车行业等多种应用中，以识别意外故障或失效并保持最佳工作条件。

      虽然电传感器通常用于温度感测，但它们在恶劣环境中效率较低，并且由于磁干扰和电干扰而无法提供准确的读数。

      例如，白光干涉仪、玻璃光纤温度传感器和费伯瑞-珀罗干涉仪都表现出很高的灵敏度。然而，光纤存在耐久性问题，并且会受到小的机械干扰的影响。

      基于聚合物纤维的传感器可以用来克服这些问题，因为这些传感器由于其出色的效率和稳健的强度而不受任何环境干扰的影响。虽然基于聚合物的纤维显示出低灵敏度，但是它们是可重复使用的并且相对精确。

      基于聚合物纤维的传感器可以通过模制或拉制来制造。增材制造(AM)/3D打印工艺通过允许制造定制的光学装置或光学系统的部件，从根本上改变了光学分析和传感装置的发展。

      开源3D打印机允许使用满足目标应用要求的定制材料。不同的3D打印技术，例如数字光处理(DLP)、立体光刻设备(SLA)、掩模立体光刻设备(MSLA)和熔融细丝制造(FFF)可用于打印聚合物光纤。

      在这些技术中，MSLA是更合适的，因为它是最快的技术并且具有最高的分辨率。此外，各种材料可以很容易地在MSLA定制复杂的功能，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复合材料的制造。

      在合成树脂期间或之后，可以将对特定外部触发(如磁场/电场、光、离子、温度或pH)，表现出敏感性的刺激响应材料结合到树脂中，以将传感能力或多功能性添加到3D打印结构中。

      在这项研究中，研究人员使用开源的MSLA 3D打印机，制造了用于温度传感应用的热变色聚合物光纤。可逆热致变色微粉被结合到3D可打印的聚乙二醇二丙烯酸酯(peg da)/聚甲基丙烯酸羟乙酯(pHEMA)光固化树脂中，以给制造的光纤增加热传感功能。

      对制造的3D打印纤维的光学、机械和物理特性进行表征，并在25-32℃的温度范围内对纤维的热感应能力进行定量光学分析。研究人员还建立了光强和弯曲角度之间的相关性，以证明所制造的纤维的应变传感能力。

      pHEMA由于其柔性和良好的生物相容性而被选择，而PEGDA，一种适于制造可光聚合聚合物的柔性长链聚合物，被选择来帮助交联HEMA。TPO可以在385-420 nm紫外(UV)光的存在下引发光聚合反应。热变色颜料无毒，对温度敏感。

      通过在室温下混合光引发剂三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦(TPO)、PEGDA和HEMA，合成了PEGDA/HEMA的光固化树脂，用于基于PEGDA/HEMA共聚物的光纤的3D打印。

      利用MSLA 3D打印方法成功制备了用于应变和温度传感应用的功能化聚乙二醇单甲醚/HEMA共聚物基热致变色光纤。由于在其制造中使用的基础聚合物材料的柔性性质，制造的纤维非常柔软。

      在研究中使用的彩色粉末之间没有观察到形态差异。所有颜料基于它们的颜色在其透射光谱中显示特征性的下降，并且在含有这些颜色的两种印刷纤维中也观察到这种下降。含有红色和蓝色颜料粉末的样品由于两种粉末的浸渍组合而显示出较大的浸渍。

      热变色粉末是结晶的，而所有3D打印的样品都是无定形的。在3D打印过程和光固化过程中，树脂和热变色粉末之间没有发生反应。

      加入热变色粉末后，聚合物基光纤的强度降低。透明的PEGDA/pHEMA样品表现出最高的强度和弹性模量，而红色/蓝色的PEGDA/pHEMA样品表现出最低的强度和弹性模量，这是因为热致变色粉末的浓度最高。

      微米级球形热致变色颗粒均匀分布在整个聚合物基体中，具有极低的团聚。即使在分散后，它们的形状和结构仍然与原始粉末几乎相似。此外，3D打印层有效地融合，并且在层之间没有观察到孔隙，这表明基于聚合物的热致变色纤维的成功制造。

      在25°观察到可区分的颜色o所有样品的℃/室温。然而，样品在32℃变得透明oc和无法区分。该效应是可逆的，因为当样品冷却到室温时，颜色再次变得可见。即使在经历多次冷却和加热循环后，纤维仍显示出热敏特性。

      纤维的反射率随着温度的升高而增加，并在32o因为它们的光吸收降低。因此，温度和反射强度呈线性关系。

      光纤远程测量液体的温度变化，精确度高达25-32o这表明了在生物医学环境中使用这些光纤进行温度测量的可行性。在所有样品中，红色、绿色和蓝色(RGB)值随着温度升高而增加，这表明由于热致变色响应，样品是透明的。

      当聚合物纤维经受弯曲条件时，所有样品中的光强度显著降低，在绿色和蓝色光纤中观察到最高的降低。此外，光强随着弯曲角度的增加而降低。这种效应可用于感测弯曲或应变相关的变化，以预测结构变形或故障。

      综上所述，本研究的发现证明了柔性、成本有效且可重复使用的刺激响应聚合物基光纤在传感应用中具有巨大的潜力。然而，需要更多的开发和测试才能在现实世界中大规模使用它们。