3D列印技術又稱增材製造，3D列印技術和刺激響應材料的結合稱為4D列印技術。不同於3D列印的靜態結構，4D列印技術製備的材料是一種可在外界刺激下隨時間變形的結構。在刺激響應材料中，形狀記憶聚合物是常用的4D列印材料。但由於難以製備列印墨水，鮮有利用列印技術製備高效能形狀記憶聚合物的報道。雙酚A型氰酸酯作為高效能聚合物材料，具有高強度、高轉變溫度、低吸水率和抗輻射等優點，被廣泛應用於航天航空等領域。但雙酚A型氰酸酯材料存在在有機溶劑中難以溶解等問題，限制了氰酸酯材料的3/4D列印。
中國科學院蘭州化學物理研究所先進潤滑與防護材料研發中心研究員王齊華、王廷梅帶領的團隊和蘭州理工大學教授張建強合作，透過環氧和氰酸酯預聚、雙鍵光固化和聚合物互穿網路結構熱固化三步策略，首次實現了雙酚A型氰酸酯的3/4D列印，製備的墨水可適用於數字光固化（DLP）和直接墨水書寫（DIW）兩種列印方式（圖1）。列印的結構具有低體積收縮率、高強度、高轉變溫度和優異的形狀記憶效應。該工作為氰酸酯材料以及其他高效能材料的3/4D列印提供了新思路。
3D列印形狀記憶氰酸酯聚合物可形成4D列印氰酸酯聚合物。研究人員使用墨水列印的螺旋彈簧可被壓縮或拉伸，並在78秒內恢復形狀，證明了彈簧良好的形狀記憶效應（shape memory effect，簡稱SME）。列印的“C”形輪廓密封圈在210℃溫度下變形，在87秒內完成形狀恢復。該研究可解決安裝剛性密封圈的問題，尤其是結構複雜的密封圈。
智慧模具可多次重複利用，具有廣闊應用前景。研究人員透過3D打印出花生形狀的模具將浸有光固化油墨的芳綸纖維纏繞在3D列印的花生形狀模具上，透過模具變形脫模獲得沙漏狀複合材料，解決了傳統模具難以一體化製備此類異型件的難題，並實現了模具的重複使用，列印的不同結構如圖2所示。該研究為高強度形狀記憶聚合物(SMP)的應用奠定了基礎(圖2)。相關成果發表在Chemical Engineering Journal上。
研究工作得到國家自然科學基金重點專案、中科院前沿科學重點研究計劃和中科院戰略性先導科技專項（B類）培育專案的支援。
圖1.4D列印過程以及兩種列印方式
圖2.4D列印的結構及形狀記憶演示應用
來源：中國科學院蘭州化學物理研究所
