[發明專利]二氧化硅氣凝膠纖維的3D打印墨水及3D打印制備方法

有效

• 申請號: 201911347836.8
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111004541B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 張學同;杜煜;王錦
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所
• 主分類號: C09D11/102
• 分類號: C09D11/102;D01F9/10
• 代理公司: 南京利豐知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32256
• 代理人: 王茹;王鋒

本發明公開了一種二氧化硅氣凝膠纖維的3D打印墨水及3D打印制備方法。所述3D打印墨水包括作為主要有效成分的具有多功能基團的線性有機硅氧烷聚合物和溶劑。所述具有多功能基團的線性有機硅氧烷聚合物由TEOS、TMOS、PMDS、DMDMS等單體通過縮聚合反應得到。所述3D打印制備方法包括：將所述3D打印墨水裝填至3D打印設備中，采用噴頭擠出3D打印法在凝固浴中進行3D打印，獲得二氧化硅凝膠纖維，之后進行干燥處理，獲得二氧化硅氣凝膠纖維。本發明的3D打印墨水的穩定性良好、成型性好，連續性佳，在二氧化硅氣凝膠纖維的尺寸和形貌設計、以二氧化硅氣凝膠纖維為基礎進行不規則氣凝膠制備等領域中具有巨大的前景。

技術領域

本發明設計一種新型的3D打印墨水，尤其涉及一種二氧化硅氣凝膠纖維的3D打印墨水，其3D打印制備方法及應用，屬于3D打印領域、納米多孔材料領域及功能纖維技術領域。

背景技術

氣凝膠材料是采用氣體置換凝膠狀中的液體成分，同時保持凝膠網絡不發生塌縮得到的材料。氣凝膠最初誕生于十九世紀三十年代，由美國加州太平洋大學化學家Sterven.S.Kistler發明，其首次采用超臨界干燥技術，將濕凝膠中的液體成分替換為氣體并保持凝膠骨架結構完整，由此得到氣凝膠。氣凝膠具有極低的表觀密度(0.003～0.3g/cm³)、大比表面積(100～2400m²/g)、高孔隙率(80～99.8％)和低熱導率[10-40mW/(m·K)]的特點。氣凝膠材料的低熱導率主要有三個原因：1、氣凝膠的骨架結構是納米尺度的，在氣凝膠材料內部，納米尺度的骨架會形成無限長路徑效應，使固體熱傳導需要經過很長的路徑。并且氣凝膠材料中的固體含量一般僅僅只在10％以下。2、氣凝膠的孔徑一般是在40nm以下，這個孔徑小于空氣的分子自由程，因此會阻止氣體分子在氣凝膠內部的熱傳導。3、氣凝膠內部的空氣是靜止的，靜止空氣存在會阻止氣凝膠內部的空氣熱對流。結合這三點以及在較低溫度下，熱輻射較少，因此氣凝膠在較低溫度下具有良好的隔熱性能。

經過八十多年的發展，氣凝膠材料已逐步實現商業化，并在智能熱管理、吸附、催化等領域展現出強大的應用前景。傳統加工手段得到的氣凝膠結構多為塊狀及粉體結構，形狀較為簡單，變形單一，響應速度較慢，而且氣凝膠尤其是二氧化硅氣凝膠的脆性，使得三維塊體氣凝膠的加工性和可切割性受到限制，粉體氣凝膠只可以作為涂料或者填充物，大大限制了氣凝膠的應用場景，難以滿足實際的應用需求。

3D打印思想最早可以追溯到19世紀末，真正得到推廣和發展從20世紀80年代開始，引起了巨大的反響。3D打印不同于傳統的減材制造方式，它是通過“層層堆積”的增材制造手段，對設計好的三維模型進行“切片”處理，得到每一層需要成形的形狀，生成掃描路徑的代碼或者投影光學圖案，層層成形堆積成最終實體。3D打印的出現及發展為氣凝膠提供了一種新的加工方式，使氣凝膠的結構設計成為可能。基于形狀設計的需求，氣凝膠纖維可以作為搭接多種形狀的基礎，實現多種氣凝膠形狀的設計。但是由于氣凝膠的溶膠凝膠過程是一個動態的慢過程，凝膠成型慢，必須需要外部的容器作為形貌支撐，其三維形貌受限于容器的形狀。而且在干燥過程中也受到弱機械性能的影響，凝膠成型慢及凝膠網絡脆弱是目前3D打印面臨的巨大困難。各種組分的氣凝膠纖維尤其是二氧化硅氣凝膠纖維的3D打印成型一直是一個巨大的挑戰。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種二氧化硅氣凝膠纖維的3D打印墨水及其3D打印制備方法，可以實現氣凝膠纖維一維形貌的自支撐以克服現有3D打印技術中的不足。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：

本發明實施例提供了一種二氧化硅氣凝膠纖維的3D打印墨水，其包括作為主要有效成分的具有多功能基團的線性有機硅氧烷聚合物和溶劑。

作為優選方案之一，所述具有多功能基團的線性有機硅氧烷聚合物由TEOS、TMOS、PMDS、DMDMS單體中的任意一種或兩種以上的組合通過縮聚合反應得到。