同济大学杜艾、周斌团队 JMCA：聚酰亚胺气凝胶3D打印 - 用于隔热、透气和吸光的协同管理

2023-10-15 来源：高分子科技

运用3D打印技术来灵活构建特殊的结构或性能是实现气凝胶应用的重要手段，然而在气凝胶的3D打印中，研究学者普遍采用流变改性剂或紫外光固化剂等对打印墨水进行流变学调控或快速光固化。虽然这些策略能够很好地保证打印过程中的结构保真，但也不可避免地插入了异质成分或结构，从而对气凝胶原始的结构或性能有一定的负面影响。因此，实现气凝胶结构或性能高保真的3D打印仍然存在挑战。

图1 聚酰亚胺气凝胶基墨水合成化学及3D打印路线

图2 聚酰亚胺气凝胶基墨水流变学及3D打印

近期，同济大学物理科学与工程学院杜艾、周斌团队通过结合一步化学亚胺化溶胶-凝胶策略和直接墨水书写3D打印技术，实现了高性能和多功能性的聚酰亚胺气凝胶的3D打印（图1、图2）。由此得到的3D打印聚酰亚胺气凝胶具有高的比表面积(545.1-561.7 m² g^-1)，低的密度(66.1-103.7 kg m^-3)，低的热导率(39.89-50.86 mW m^-1 K^-1)，低的收缩率(<7%)等（图3）。此外，3D打印的聚酰亚胺气凝胶还具有优异的保温/保冷、透气/透光和吸氨/吸湿等功能，在未来多功能建筑中具有很大的潜力（图4）。为进一步拓展3D打印聚酰亚胺气凝胶的应用领域，通过碳纳米管的引入还赋予了其在太阳能蒸汽产生和太阳能海水净化方面的潜力（图5、图6）。该项工作证明了通过3D打印易于实现具有优异性能和扩展应用的聚酰亚胺气凝胶，为设计高性能和多功能的聚酰亚胺气凝胶提供了新的路线。

图3 3D打印聚酰亚胺气凝胶的物理特性

图4 3D打印聚酰亚胺气凝胶的多功能集成建筑应用探索

图5 3D打印聚酰亚胺气凝胶的太阳能水蒸发应用探索

图6 3D打印聚酰亚胺气凝胶的太阳能海水净化探索

该工作以“Direct 3D print polyimide aerogels for synergy management of thermal insulation, gas permeability and light absorption”为题发表在《J. Mater. Chem. A》期刊上（DOI: 10.1039/d3ta02928j）。文章通讯作者是同济大学物理科学与工程学院杜艾教授和周斌教授，共同第一作者是杨建明博士和卢贾璐博士后，课题组习爽博士、汪宏强博士、韩东晓博士、范才德硕士、沈军教授、张志华副教授也做出了突出贡献。本研究工作得到了国家重点研发计划“纳米科技”重点专项（2017YFA0204600），和国家自然科学基金（11874284）的资助和支持。

来源于传统气凝胶组成配方的墨水在不使用流变改性剂的前提下往往不利于直接实现气凝胶的3D打印。为此团队发展了通用的溶胶-凝胶策略以实现气凝胶的3D打印，在过去的两年中，团队使用该策略成功实现了间苯二酚-甲醛气凝胶、氧化硅气凝胶的3D打印（Langmuir 2021, 37, 2129-2139），并系统地探索了3D打印气凝胶的后功能化（Adv. Mater. Technol. 2022, 7, 2101325；ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 11970?11976）。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D3TA02928J

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（责任编辑：xu）

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