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Nature重磅|微挤出式3D打印世界上最轻的材料

星之球科技来源:上普生物2020-09-03我要评论(0)

第一作者:Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira通讯作者:Wim J. Malfait,Shanyu Zhao通讯单位:瑞士联邦材料科学与技术实验室本文要点:1. 通过微挤出式3D打印SiO2气凝胶...

第一作者:Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira

通讯作者:Wim J. Malfait,Shanyu Zhao

通讯单位:瑞士联邦材料科学与技术实验室

本文要点:

1. 通过微挤出式3D打印SiO2气凝胶。

2. 验证了SiO2气凝胶物体的多功能性和应用前景。

气凝胶是一种介孔溶胶-凝胶材料,是世界上密度最小的固体,具有高比表面积(500–1,000 m2g-1)和低密度(0.001–0.200 g cm-3)等特点。气凝胶是由空气或自由空间与陶瓷,金属,颗粒,粉末或碳固体介质组成,其中空气或自由空间的比例> 99%。因此,气凝胶可以非常轻。除此之外,由于其导热率低至12 mW m-1K-1,所以又被陈祚超级绝缘体。

目前,各种不同材质的气凝胶被相继开发出来,并取得了令人瞩目的优异性能。其中,二氧化硅气凝胶是迄今为止研究最多和使用最广泛的气凝胶。二氧化硅气凝胶在工业和建筑保温材料中被大量使用,每年市场约2.2亿美元。

尽管气凝胶具有极高的强度/重量比,但是,气凝胶具有本征的易碎性,难以通过常规的机械加工来制造小型物体,导致其大规模应用之路并不顺畅。为了解决这个问题,研究人员发现3D打印在构建气凝胶物体方面独具优势,目前已经在石墨烯、氧化石墨烯、氮化碳、金、纤维素等气凝胶领域得到了良好的验证。

但是,对于纯SiO2气凝胶而言,3D打印依然充满挑战,可谓几乎不可能!

有鉴于此,瑞士联邦材料科学与技术实验室Wim J. Malfait和 Shanyu Zhao等人报道了一种可以通过微挤出式3D打印SiO2气凝胶物体的方法,从而为SiO2气凝胶的规模化应用打开了新方向。

图1. 基本流程

要点1. 制备过程

研究人员将二氧化硅气凝胶粉末(粒度为4–20μm)置于1-戊醇基二氧化硅溶胶中形成浆液,通过微挤出式3D打印工艺打印纯二氧化硅气凝胶物体。由于戊醇的蒸气压较低(比水的蒸气压低18倍,20°C),可防止干燥引起的表面损坏,即使延长打印时间也能维持稳定。对于小型应用,使用工业级二氧化硅气凝胶粉所产生的额外成本可以忽略不计。

图2. 3D打印纯二氧化硅气凝胶物体

要点2. 制备关键

高含量的凝胶颗粒(至少40 V%):使得墨水表现出剪切稀化现象,以满足直接进行墨水书写的需求。墨水由直径约10μm的气凝胶颗粒组成,悬浮在溶胶中,二氧化硅纳米颗粒的直径约10 nm。

添加聚(丙二醇)双(2-氨基丙基醚):增加油墨的粘度,以防止固液相分离,并改善了溶胶-凝胶转变过程中的均质性,墨水的保质期可达到20天以上。

氨蒸汽活化:在被打印后,将之前掺入油墨中的硅溶胶用氨蒸汽活化,以粘合气凝胶颗粒并用硅胶填充空隙,便于随后加工成气凝胶

要点3. 应用潜力

纯二氧化硅气凝胶物体具有典型的二氧化硅气凝胶的高比表面积(751 m2 g-1)和超低导热率(15.9mW m-1 K-1)。此外,研究发现,这种纯二氧化硅气凝胶物体可以简便地和功能纳米颗粒相复合使用,3D打印后的二氧化硅气凝胶物体在热管理,微型气泵降解挥发性有机化合物等方面表现出诱人的应用前景。

图3. 热管理应用

图4. VOC降解应用

小结

总之,本研究发展了一种3D打印SiO2气凝胶宏观物体的新方法,也是微挤出式3D打印工艺的全新应用方向,为SiO2气凝胶的规模化应用打开了一扇大门。

参考文献

Shanyu Zhao et al. Additive manufacturing of silica aerogels. Nature 2020, 584, 387–392.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0

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