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中科院化學(xué)所趙寧課題組 Adv. Sci.：數(shù)字光處理3D打印SiO2氣凝膠實(shí)現(xiàn)復(fù)雜宏觀結(jié)構(gòu)的制備
2022-10-31  來(lái)源：高分子科技

  二氧化硅（SiO2）氣凝膠因其高孔隙率、高孔容、大比表面積、卓越的保溫隔熱、聲阻抗、阻燃等特性，成為目前使用最廣泛的氣凝膠材料。其溶膠-凝膠制備工藝使得SiO2基氣凝膠主要通過(guò)模具澆鑄成型，難以獲得復(fù)雜立體結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)為構(gòu)筑可定制化、具有復(fù)雜宏觀形態(tài)的SiO2基氣凝膠提供可能。其中，光固化3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)更高的構(gòu)筑精度和快速規(guī)�；圃臁Ｈ欢�，光固化3D打印依賴于光敏樹脂的光固化來(lái)實(shí)現(xiàn)三維制造，在前驅(qū)體中引入光敏基團(tuán)會(huì)顯著降低氣凝膠制件的本征特性，后處理去除有機(jī)組分也不可避免地對(duì)氣凝膠結(jié)構(gòu)造成破壞。


  中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所趙寧課題組通過(guò)探究丙烯酸酯改性硅溶膠在水解縮合過(guò)程中光流變行為的時(shí)間演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了極低丙烯酸酯含量下數(shù)字光處理（DLP）3D打印制備SiO2基氣凝膠。所得氣凝膠的SiO2含量、骨架本征密度和物理結(jié)構(gòu)特征與商業(yè)SiO2氣凝膠類似，并在低表觀密度下表現(xiàn)出更為優(yōu)異的機(jī)械性能。進(jìn)一步，利用氣凝膠三維骨架的開孔特性，所打印的SiO2基氣凝膠作為納米工程平臺(tái)，通過(guò)填充其他功能材料，獲得了保留復(fù)雜宏觀結(jié)構(gòu)的高性能多功能互穿相納米復(fù)合材料。與環(huán)氧樹脂復(fù)合后材料的比彎曲強(qiáng)度107 ± 6 MPa g?1 cm3，超過(guò)了大多數(shù)金屬、陶瓷以及天然珍珠母貝；與離子凝膠復(fù)合實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能和導(dǎo)電性的解耦，復(fù)合材料的彈性模量相比凝膠提高了近1400倍，而離子電導(dǎo)率幾乎保持不變。

 

圖1. DLP打印SiO2基氣凝膠的制備路線、形貌結(jié)構(gòu)

 


圖2. DLP打印SiO2基氣凝膠機(jī)械性能和阻燃性

 


圖3. 氣凝膠-環(huán)氧樹脂基互穿相納米復(fù)合材料的制備路線、形貌和機(jī)械性能

 

圖4. 氣凝膠-離子凝膠/水凝膠互穿相納米復(fù)合材料


  本研究表明傳統(tǒng)的溶膠-凝膠工藝可與光固化3D打印技術(shù)相匹配，通過(guò)自發(fā)的溶膠-凝膠轉(zhuǎn)變降低打印過(guò)程對(duì)光固化的過(guò)度依賴，在保留材料本征特性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜宏觀結(jié)構(gòu)的制備，該策略可擴(kuò)展到鈦、鋁、釩和鋯等其他溶膠-凝膠體系，極大地擴(kuò)展光固化3D打印的材料范圍。


  該工作以“Digital Light Processing 3D-Printed Silica Aerogel and as a Versatile Host Framework for High-Performance Functional Nanocomposites”為題發(fā)表在《Advanced Science》上，第一作者為中科院化學(xué)所博士生鄒為治。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202204906

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（責(zé)任編輯：xu）
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