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《Additive Manufacturing》:双通道共挤出3D打印气凝胶策略

《Additive Manufacturing》:双通道共挤出3D打印气凝胶策略

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-05-09 18:40
  • 访问量:

【概要描述】

《Additive Manufacturing》:双通道共挤出3D打印气凝胶策略

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2023年4月28日,国防科技大学冯坚教授团队在《Additive Manufacturing》发表题为Dual-channel coextrusion printing strategy towards mechanically enhanced, flame retardant, and thermally stable polyimide-silica aerogels for thermal insulation的研究论文,报道了一种新的双通道共挤出打印策略,用于制造具有多尺度结构的PIS气凝胶,由此制备的3d打印PIS气凝胶具有典型的纳米多孔特性,在中高温环境中表现出巨大的形状主导绝热潜力。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103583

  研究简介  

基于挤压的3D打印能够按需塑造具有兼容材料成分的气凝胶,并为功能应用量身定制几何特征。本文提出了一种新型的双通道共挤出打印策略,用于制备聚酰亚胺-二氧化硅气凝胶。打印过程的实现取决于墨水和催化剂液体在特定之字形结构中的流体混合,以及它们的混合物通过单个喷嘴的共挤出。共挤出打印后,化学亚胺化固化确保3D打印的气凝胶在宏观几何形状上达到高保真度。
得益于聚酰亚胺和二氧化硅的微观复合相,3D打印的气凝胶具有更好的机械性能(比模量54.45 kN-m-kg-),出色的阻燃性(LOI值55.3%)和出色的热稳定性(400°C时线收缩率< 5%)。更重要的是,低密度(0.196 g-cm-3)、高表面积(518 m2-g-1)、集中的孔径分布(-30 nm)等纳米级孔隙特征,使得3D打印气凝胶的导热系数仅为20.80 mW· m-1· K-1。这项工作将为增材制造的形状主导功能材料的设计和制造提供可行的指导。

  研究内容解读  

本文提出了一种新的双通道共挤出打印策略,用于制造机械增强、阻燃和热稳定的聚酰亚胺-二氧化硅(PIS)气凝胶。在墨水配方中,高分子PAA聚合物、微米级二氧化硅气凝胶粉末和纳米级气相二氧化硅颗粒之间的可逆氢键交联相互作用使墨水具有假塑性流变行为和良好的可打印性。
3D打印过程的实现依赖于墨水和催化剂液体在特定之字形结构中的流体混合,以及它们的混合物通过单个喷嘴的共挤出。共挤出打印后,PAA聚合物的化学亚胺化反应导致墨水的实时固化,这保证了3D打印的PIS气凝胶可以实现高结构完整性和高形状保真度。由此制备的3D打印PIS气凝胶具有典型的纳米多孔特性,如低密度、高表面积和高孔体积,并改善了机械性能,优异的阻燃性和优异的热稳定性,在中高温环境中具有很大的形状主导绝热潜力。

图1 双通道共挤出3D打印工艺制备PIS气凝胶。(a)双通道共挤出3D打印工艺示意图。(b) 3D打印PIS气凝胶网格的照片,从墨水到凝胶再到气凝胶的不同阶段。比例尺为1cm。

图2 墨水的流变性能。(a)墨水中可逆氢键交联的示意图。(b)不同PAA溶液的初始粘度。(c)触变试验中随时间变化的剪切速率粘度。(d)不同PIS墨水的表观粘度随剪切速率的变化。(e) PIS墨水的存储(G′)和损耗(G)模量随剪切应力的变化。

图3 计算流体动力学模拟和化学成分表征。

图4 3D打印PIS气凝胶的几何形状和结构。(a-h) 3D打印PIS气凝胶的各种几何形状的光学照片。

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