第一作者：Shanyu Zhao, Gilberto Siqueira

通訊作者：Wim J. Malfait，Shanyu Zhao

通訊單位：瑞士聯邦材料科學與(yu) 技術實驗室

本文要點：

1. 通過微擠出式3D打印SiO2氣凝膠。

2. 驗證了SiO2氣凝膠物體(ti) 的多功能性和應用前景。

氣凝膠是一種介孔溶膠-凝膠材料，是世界上密度最小的固體(ti) ，具有高比表麵積（500–1,000 m2g-1）和低密度（0.001–0.200 g cm-3）等特點。氣凝膠是由空氣或自由空間與(yu) 陶瓷，金屬，顆粒，粉末或碳固體(ti) 介質組成，其中空氣或自由空間的比例> 99％。因此，氣凝膠可以非常輕。除此之外，由於(yu) 其導熱率低至12 mW m-1K-1，所以又被陳祚超級絕緣體(ti) 。

目前，各種不同材質的氣凝膠被相繼開發出來，並取得了令人矚目的優(you) 異性能。其中，二氧化矽氣凝膠是迄今為(wei) 止研究最多和使用最廣泛的氣凝膠。二氧化矽氣凝膠在工業(ye) 和建築保溫材料中被大量使用，每年市場約2.2億(yi) 美元。

盡管氣凝膠具有極高的強度/重量比，但是，氣凝膠具有本征的易碎性，難以通過常規的機械加工來製造小型物體(ti) ，導致其大規模應用之路並不順暢。為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，研究人員發現3D打印在構建氣凝膠物體(ti) 方麵獨具優(you) 勢，目前已經在石墨烯、氧化石墨烯、氮化碳、金、纖維素等氣凝膠領域得到了良好的驗證。

但是，對於(yu) 純SiO2氣凝膠而言，3D打印依然充滿挑戰，可謂幾乎不可能！

有鑒於(yu) 此，瑞士聯邦材料科學與(yu) 技術實驗室Wim J. Malfait和 Shanyu Zhao等人報道了一種可以通過微擠出式3D打印SiO2氣凝膠物體(ti) 的方法，從(cong) 而為(wei) SiO2氣凝膠的規模化應用打開了新方向。

圖1. 基本流程

要點1. 製備過程

研究人員將二氧化矽氣凝膠粉末（粒度為(wei) 4–20μm）置於(yu) 1-戊醇基二氧化矽溶膠中形成漿液，通過微擠出式3D打印工藝打印純二氧化矽氣凝膠物體(ti) 。由於(yu) 戊醇的蒸氣壓較低（比水的蒸氣壓低18倍，20°C），可防止幹燥引起的表麵損壞，即使延長打印時間也能維持穩定。對於(yu) 小型應用，使用工業(ye) 級二氧化矽氣凝膠粉所產(chan) 生的額外成本可以忽略不計。

圖2. 3D打印純二氧化矽氣凝膠物體(ti)

要點2. 製備關(guan) 鍵

高含量的凝膠顆粒（至少40 V％）：使得墨水表現出剪切稀化現象，以滿足直接進行墨水書(shu) 寫(xie) 的需求。墨水由直徑約10μm的氣凝膠顆粒組成，懸浮在溶膠中，二氧化矽納米顆粒的直徑約10 nm。

添加聚（丙二醇）雙（2-氨基丙基醚）：增加油墨的粘度，以防止固液相分離，並改善了溶膠-凝膠轉變過程中的均質性，墨水的保質期可達到20天以上。

氨蒸汽活化：在被打印後，將之前摻入油墨中的矽溶膠用氨蒸汽活化，以粘合氣凝膠顆粒並用矽膠填充空隙，便於(yu) 隨後加工成氣凝膠

要點3. 應用潛力

純二氧化矽氣凝膠物體(ti) 具有典型的二氧化矽氣凝膠的高比表麵積（751 m2 g-1）和超低導熱率（15.9mW m-1 K-1）。此外，研究發現，這種純二氧化矽氣凝膠物體(ti) 可以簡便地和功能納米顆粒相複合使用，3D打印後的二氧化矽氣凝膠物體(ti) 在熱管理，微型氣泵降解揮發性有機化合物等方麵表現出誘人的應用前景。

圖3. 熱管理應用

圖4. VOC降解應用

小結

總之，本研究發展了一種3D打印SiO2氣凝膠宏觀物體(ti) 的新方法，也是微擠出式3D打印工藝的全新應用方向，為(wei) SiO2氣凝膠的規模化應用打開了一扇大門。

參考文獻

Shanyu Zhao et al. Additive manufacturing of silica aerogels. Nature 2020, 584, 387–392.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2594-0

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