3D打印分层多孔材料研究

分层多孔材料在自然界中普遍存在，并具有许多应用，如催化载体、生物支架和轻质结构。3D打印允许以多种尺度上以晶格、多孔结构和泡沫的形式制造多孔材料。然而，根据一组题为“将牺牲模板3D打印成分层多孔材料”的论文中的研究人员称，“目前的方法”不允许快速制造具有孔隙尺寸的大体积多孔材料，因为从宏观尺寸到纳米尺度跨度太广。”

在这篇研究论文中，作者描述了他们如何开发油墨配方、以实现在纳米级、微米级和宏观级别上显示多孔性的分层材料的3D打印。

研究人员表示，“在这里，我们的3D打印油墨，由纳米乳液和其他微模板组成，以生成形状复杂的分层材料，其孔径可控制在数百纳米到毫米之间。通过选择打印路径和孔模板构件的尺寸，可以容易地调节所得多孔材料的孔径。亚微米孔由颗粒稳定的纳米乳液产生，而较大的液滴或牺牲聚合物颗粒用于产生尺寸范围为10-100μm的孔。 最后，分层多孔材料的宏观复杂形状和大规模蜂窝结构由3D打印过程决定。”

研究人员通过两步乳化过程形成稳定的纳米液滴。这些纳米液滴足够稳定，可通过超速离心浓缩，形成致密的堵塞模板，根据油的挥发性，可在干燥或烧结时直接转化为纳米多孔结构。研究人员继续说道，“由于纳米颗粒在前体液滴表面形成致密层，因此通常在干燥和烧结后获得封闭的纳米孔。然而，如果乳状液在加工过程中稍微不稳定以产生仅部分被颗粒覆盖的液滴表面，也会形成开孔。对于在这项工作中研究的乳状液，我们发现通过用癸烷作为分散相代替玉米油可以实现这种轻微的不稳定。在烧结后调整工艺以产生开孔或闭孔的能力使得能够根据目标应用所需的性质定制多孔结构。”

由于纳米和微孔是由油墨中的模板化液滴和颗粒的自组装产生的，与材料的缓慢顺序沉积相反，3D打印过程简单且快速。因为它们在油墨制备期间易于聚结，所以模拟液滴需要通过颗粒稳定，所述颗粒随后将形成在干燥和固结时产生的孔壁。

研究人员得出结论，“用于促进这种稳定机制的表面活性剂的两性离子性质允许使用具有多种不同化学性质的颗粒。此外，干燥的打印结构可以化学固化或通过热处理固化，这取决于油墨配方。结合3D打印的复杂成型功能，这些功能使该工艺具有高度可调性，并为各种应用的分层多孔材料的设计和数字化制造开辟了新的可能性。”