《Nature》：實現(xiàn)“不可能”！3D打印微型二氧化硅氣凝膠

來源：高分子科學(xué)前沿  

二氧化硅氣凝膠具有極低的熱導(dǎo)率和其獨特的開孔結(jié)構(gòu)，在隔熱、催化、物理、環(huán)境修復(fù)、光學(xué)設(shè)備和超高速粒子捕獲等方面有著廣泛的應(yīng)用。它的一個主要缺點是較脆。雖然在一些體積較大的應(yīng)用如建筑隔熱設(shè)計方面，可以利用纖維增強或者膠黏劑的方法解決較脆的問題。但是，在制備小型二氧化硅氣凝膠時仍然受到限制。增材制造為小型化提供了思路，但一直被認(rèn)為不適用于制備二氧化硅氣凝膠。近日，瑞士聯(lián)邦材料實驗室的趙善宇研究員、Wim J. Malfait研究員合作利用3D打印技術(shù)將二氧化硅氣凝膠顆粒與二氧化硅溶膠結(jié)合，首次成功制備出微型二氧化硅氣凝膠。該氣凝膠只含二氧化硅，且比表面積高達(dá)751 m2/g，熱導(dǎo)率僅為15.9 mW/(m·K)。該研究以題為“Additive manufacturing of silica aerogels”發(fā)表在《Nature》上。

【增材制造的過程】
作者將粒徑尺寸為4–20 μm的二氧化硅氣凝膠顆粒加入到二氧化硅/1-戊醇的溶膠中，形成漿料，然后通過3D打印制備了小型的二氧化硅氣凝膠材料。戊醇的蒸氣壓較�。�20 oC下是水的1/18），避免了氣凝膠在干燥過程中表面的破壞。在膠體顆粒含量超過40 vol%時，墨水表現(xiàn)出了剪切稀化的流變行為，能夠保證3D打印過程中順利書寫，且書寫后由于剪切力消失，打印的形狀能夠完全保持下來。打印之后，經(jīng)過氨氣和超臨界干燥的過程就可以得到二氧化硅氣凝膠的成品。

圖1 增材制造制備二氧化硅氣凝膠的過程示意圖

【二氧化硅氣凝膠的形貌】
作者通過控制可以制備出不同結(jié)構(gòu)的二氧化硅氣凝膠，如圖2所示。而通過控制墨水的粘度可以控制氣凝膠內(nèi)部的氣孔大小。內(nèi)部的形貌顯示出了互鎖的結(jié)構(gòu)。氮氣吸附測試結(jié)果表明，氣凝膠的比表面積為697-751 m2/g，孔徑為11.8-12.6 nm。室溫下的熱導(dǎo)率僅為15.9 mW/(m·K)。此外，更有意思的是，得到的氣凝膠比氣凝膠顆粒原料具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

圖2 二氧化硅氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、氣體吸附性能和熱穩(wěn)定性

【氣凝膠在熱管理方面的應(yīng)用】
隨后，作者制備了不同尺寸和厚度的二氧化硅氣凝膠，研究了其在熱管理方面的應(yīng)用。結(jié)果表明，無論放置在150 ℃還是-20 ℃的基板下，氣凝膠的厚度越大，其表面與基板的溫差也越大。同時，將其打印成一定形狀用于隔絕電路板的熱量，其表面溫度比同厚度下的商用材料低12 ℃。展現(xiàn)出在電子器件領(lǐng)域熱管理方面良好的應(yīng)用前景。

圖3 二氧化硅氣凝膠的熱管理應(yīng)用

【氣凝膠在氣體吸附和分解方面的應(yīng)用】
此外，作者還將二氧化錳加入墨水中，制備出具有優(yōu)異蒸騰氣泵性能的功能氣凝膠。該氣凝膠表現(xiàn)出了極好的吸附能力，并且在光催化條件下，能將有害氣體（如甲苯等）有效分解。

圖4 氣凝膠在氣體吸附和分解中的應(yīng)用

【總結(jié)】作者利用增材制造首次實現(xiàn)了對于小型二氧化硅氣凝膠的精確制備。該氣凝膠表現(xiàn)出了極高的比表面積和極低的熱導(dǎo)率。隨著電子器件向小型化和集成化的快速發(fā)展，其在電子器件的熱管理方面表現(xiàn)出極好的應(yīng)用價值。同時，通過調(diào)控原料組分，該氣凝膠有望用于電、磁、化學(xué)和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。