一组研究人员最近在《期刊》上发表了一篇论文添加剂制造that demonstrated the feasibility of using three-dimensional (3D) printed polymer-based optical fibers for sensing applications.
学习：3D印刷聚合物复合光纤用于传感应用。图片来源：Asharkyu/Shutterstock.com
背景
温度传感器在多种应用中广泛使用，例如医疗诊断，发电机，空调和汽车部门，以识别意外的崩溃或失败并保持最佳的工作条件。
尽管电气传感器通常用于温度传感，但在恶劣的环境中它们的有效性较低，由于磁性和电动干扰，无法提供准确的读数。
光纤传感器可以在恶劣的环境中运行，因为它们不受电磁干扰的影响并具有遥感能力。光纤柔性，轻巧且紧凑，使其适合作为传感器。
例如，白光干涉仪，玻璃光纤温度传感器和Febry-Pérot干涉仪显示出高灵敏度。但是，光纤有耐用性问题，并受到小型机械干扰的影响。
基于聚合物纤维的传感器可用于克服这些问题，因为这些传感器由于其出色的效率和强大的强度而不受任何环境干扰的影响。尽管基于聚合物的纤维表现出低灵敏度，但它们是可重复使用且相对准确的。
基于聚合物纤维的传感器可以通过成型或绘制来制造。添加剂制造（AM）/3D打印过程从根本上通过允许制造定制的光学设备或光学系统组件来改变光学分析和传感设备的开发。
开源3D打印机允许使用满足目标应用程序要求的定制材料。亚博网站下载不同的3D打印技术，例如数字灯处理（DLP），立体光刻设备（SLA），蒙版立体造影设备（MSLA）和融合细丝制造（FFF），可用于打印聚合物光学光纤。
在这些技术中，MSLA更合适，因为它是最快的技术，并且具有最高的分辨率。此外，可以在MSLA中轻松自定义各种亚博网站下载材料，以实现复杂的功能，从而可以识别不同的材料组成。因此，MSLA可以有效地制造功能化的聚合物复合材料。
刺激反应性的材料在合成树脂合成期间或之亚博网站下载后，可以将对特定外部触发器的敏感性（例如磁/电场，光，离子，温度或pH）纳入树脂中，以添加感应能力或多功能功能中，将其纳入树脂中3D打印结构。
研究
在这项研究中，研究人员使用开源MSLA 3D打印机制造了热色聚合物光纤，用于温度传感。将可逆的热染色器微热掺入3D可打印的聚乙烯乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）/聚羟基乙基甲基丙烯酸酯（Phema）光能树脂中，以在造成的光纤中添加热感应功能。
表征了制造的3D打印纤维的光学，机械和物理性能，并在25-32°C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度和弯曲角之间的相关性，以证明制成的纤维的应变感应能力。
选择PHEMA由于其柔韧性和良好的生物相容性，而PEGDA是一种适合于生产光聚合聚合物制造的柔性且长链聚合物，以帮助交联HEMA。TPO可以在存在385-420 nm紫外线（UV）光的情况下引发光聚合反应。热色素色素无毒，对温度敏感。
通过在室温下以3D打印PEGDA/HEMA共聚物的光纤纤维，合成了PEGDA/HEMA的可光透明树脂，通过混合光启动剂三甲基苯甲酰二苯基二苯基（TPO），PEGDA和HEMA合成。
随后，在搅拌条件下，将红色，蓝色和绿色的热色粉添加到准备的PEGDA/HEMA树脂中。The final samples were designated based on the color of the thermochromic powder added to each sampleFiveve samples were printed for this study, including transparent PEGDA/HEMA without any powder, blue/red PEGDA/HEMA, red PEGDA/HEMA, green PEGDA/HEMA,蓝色PEGDA/HEMA。
光学显微镜，扫描电子显微镜（SEM），紫外可见分光光度计，X射线衍射仪和单轴拉伸机（UTM）用于表征材料和制造的样品。亚博网站下载开发了定制的光学设置，以研究制造的聚合物纤维的热响应。
观察
使用MSLA 3D打印方法成功制造了用于应变和温度传感应用的官能化PEGDA/HEMA共聚物的热色光纤。由于其制造中使用的碱基聚合物材料的灵活性，制造的纤维非常灵活。亚博网站下载
在研究中使用的有色粉末中未观察到形态学差异。所有颜料都根据其颜色在传输光谱中显示出特征性的倾角，并且在包含这些颜色的两种印刷纤维中也观察到了这种凹陷。含有红色和蓝色色素粉的样品由于两种粉末的浸入组合而显示出较大的倾角。
热色粉是结晶的，而所有3D印刷样品都是无定形的。在3D打印过程和光化过程中，树脂和热染色器之间没有反应。
加入热色粉后，基于聚合物的光纤的强度降低了。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PEGDA/PHEMA样品由于最高浓度的热染色器粉末而显示的强度和弹性模量最小。
在整个聚合物基质中，微型球形颗粒均具有极低的聚集体。yabo214即使在分散后，它们的形状和结构也几乎与原始粉末相似。此外，3D打印的层有效地融合，并且在层之间没有观察到孔，这表明成功制造了基于聚合物的热染料纤维。
在25处观察到可区分的颜色oC/室温在所有样品中。但是，样品在32处变得透明oC，是无法区分的。这种效果是可逆的，因为将样品冷却至室温时，颜色再次变得可见。即使经过多个冷却和加热周期，纤维也显示出热敏性能。
纤维的反射率随温度升高而增加，并在32处变为恒定oC作为光吸收减少。因此，温度和反射强度显示出线性关系。
纤维在25-32中远程测量了液体温度的变化oC温度范围，这表明在生物医学环境中使用这些纤维进行温度测量的可行性。在所有样品中，红色，绿色和蓝色（RGB）值随温度升高而增加，表明由于热颜色响应而导致样品的透明度。
The light intensity reduced significantly in all samples when the polymer fibers were subjected to bending conditions, with the highest reduction observed in green and blue optical fibers. Additionally, the light intensity decreased with the increasing bending angle. This effect can be used to sense bending or strain-related changes to predict structure deformations or failures.
综上所述，这项研究的发现表明，基于基于聚合物的聚合物光纤的灵活，成本效益和可重复使用的刺激性响应性光纤具有巨大的潜力。但是，需要进行更多的开发和测试才能大规模地在现实世界应用中使用它们。
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来源
Elsherif，M.，Alam，F.，Butt，H。等。3D打印聚合物复合光纤用于传感应用。添加剂制造2022。https://www.亚博老虎机网登录sciendirect.com/science/article/pii/s221486042200389x?via%3dihub
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