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同濟大學(xué)杜艾、周斌團隊 JMCA：聚酰亞胺氣凝膠3D打印 - 用于隔熱、透氣和吸光的協(xié)同管理
2023-10-15  來源：高分子科技

  運用3D打印技術(shù)來靈活構(gòu)建特殊的結(jié)構(gòu)或性能是實現(xiàn)氣凝膠應(yīng)用的重要手段，然而在氣凝膠的3D打印中，研究學(xué)者普遍采用流變改性劑或紫外光固化劑等對打印墨水進行流變學(xué)調(diào)控或快速光固化。雖然這些策略能夠很好地保證打印過程中的結(jié)構(gòu)保真，但也不可避免地插入了異質(zhì)成分或結(jié)構(gòu)，從而對氣凝膠原始的結(jié)構(gòu)或性能有一定的負(fù)面影響。因此，實現(xiàn)氣凝膠結(jié)構(gòu)或性能高保真的3D打印仍然存在挑戰(zhàn)。


圖1 聚酰亞胺氣凝膠基墨水合成化學(xué)及3D打印路線

 

圖2 聚酰亞胺氣凝膠基墨水流變學(xué)及3D打印


  近期，同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院杜艾、周斌團隊通過結(jié)合一步化學(xué)亞胺化溶膠-凝膠策略和直接墨水書寫3D打印技術(shù)，實現(xiàn)了高性能和多功能性的聚酰亞胺氣凝膠的3D打印（圖1、圖2）。由此得到的3D打印聚酰亞胺氣凝膠具有高的比表面積(545.1-561.7 m2 g-1)，低的密度(66.1-103.7 kg m-3)，低的熱導(dǎo)率(39.89-50.86 mW m-1 K-1)，低的收縮率(<7%)等（圖3）。此外，3D打印的聚酰亞胺氣凝膠還具有優(yōu)異的保溫/保冷、透氣/透光和吸氨/吸濕等功能，在未來多功能建筑中具有很大的潛力（圖4）。為進一步拓展3D打印聚酰亞胺氣凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域，通過碳納米管的引入還賦予了其在太陽能蒸汽產(chǎn)生和太陽能海水凈化方面的潛力（圖5、圖6）。該項工作證明了通過3D打印易于實現(xiàn)具有優(yōu)異性能和擴展應(yīng)用的聚酰亞胺氣凝膠，為設(shè)計高性能和多功能的聚酰亞胺氣凝膠提供了新的路線。


圖3 3D打印聚酰亞胺氣凝膠的物理特性 


圖4 3D打印聚酰亞胺氣凝膠的多功能集成建筑應(yīng)用探索
 

圖5 3D打印聚酰亞胺氣凝膠的太陽能水蒸發(fā)應(yīng)用探索
 

圖6 3D打印聚酰亞胺氣凝膠的太陽能海水凈化探索

  該工作以“Direct 3D print polyimide aerogels for synergy management of thermal insulation, gas permeability and light absorption”為題發(fā)表在《J. Mater. Chem. A》期刊上（DOI: 10.1039/d3ta02928j）。文章通訊作者是同濟大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院杜艾教授和周斌教授，共同第一作者是楊建明博士和盧賈璐博士后，課題組習(xí)爽博士、汪宏強博士、韓東曉博士、范才德碩士、沈軍教授、張志華副教授也做出了突出貢獻。本研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項（2017YFA0204600），和國家自然科學(xué)基金（11874284）的資助和支持。


  來源于傳統(tǒng)氣凝膠組成配方的墨水在不使用流變改性劑的前提下往往不利于直接實現(xiàn)氣凝膠的3D打印。為此團隊發(fā)展了通用的溶膠-凝膠策略以實現(xiàn)氣凝膠的3D打印，在過去的兩年中，團隊使用該策略成功實現(xiàn)了間苯二酚-甲醛氣凝膠、氧化硅氣凝膠的3D打。Langmuir 2021, 37, 2129-2139），并系統(tǒng)地探索了3D打印氣凝膠的后功能化（Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2101325；ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 11970?11976）。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D3TA02928J

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