“油墨”准备好,分级多孔陶瓷开始打印

X一MOL资讯 2018-11-07 15:55:33

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多孔陶瓷具有良好的热性能、较强的机械强度以及良好的稳定性,耐高温高压,抗酸碱和有机介质腐蚀,在催化、过滤、热交换、生物医学支架、能量存储等领域都展现了良好的应用潜能。大量的多孔陶瓷制备方法也被报道,其中比较常见的包括模板法、溶胶凝胶法、起泡法等,有部分已经用于工业生产。


近日,瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH Zürich)的André R. Studart课题组在Advanced Materials杂志上发表文章,报道了通过3D打印的方法实现了分级高孔隙率陶瓷的制备。研究者将3D打印技术和乳液/泡沫模板法相结合,通过3D打印技术控制毫米级的层次孔结构,而乳液/泡沫模板法可以调节微米级的孔尺寸。通过两种方法的结合方法,可以批量生产孔径大小可调的分层多孔陶瓷,所得材料不但可以实现高孔隙率,还具有优异的机械强度。

分级多孔陶瓷的加工原理图。图片来源:Adv. Mater.


理论很简单,我们来看看研究者是怎样实现的。首先,3D打印需要“油墨”,他们的油墨是由不同浓度的氧化铝颗粒、丙酸、聚乙烯醇(PVA)等组成的乳液,其中丙酸和聚乙烯醇起到表面改性和粘合剂的作用。油墨的粘度随油相和颗粒含量的增加而增大,印刷时的液滴也会相应减小。通过改变颗粒浓度、油相含量、聚乙烯醇用量和pH值,可以调节多孔陶瓷的孔隙大小。


其次,起泡与烧结。研究者使用家用搅拌器(Braun,350 W)对乳液进行搅拌发泡,好奇的小希搜了一下Braun品牌,某东和某宝上有不少此品牌的电动剃须刀,囧~~。言归正传,发泡之后的乳液就可以用来打印三维陶瓷结构了,再经过1600摄氏度的煅烧,材料加工完毕。


通过SEM观察,材料共有三种不同尺度大小的孔隙,分别由3D打印时的排列、油滴大小和聚乙烯醇固化所形成。材料的孔隙率可达到93%。值得注意的是,改性颗粒和聚乙烯醇可以起到支撑作用,因此,多孔材料尽管孔隙率很大,但机械强度也非常高。

分级多孔陶瓷打印过程及电镜照片。图片来源:Adv. Mater.


3D打印技术能迅速将设计创意转变为实物,尤其擅长复杂结构的制作。随着3D打印技术的不断发展,打印的东西也开始从粗犷转向了精细化,从宏观结构进军微观世界。虽然这项工作的重点是印刷氧化铝分级多孔陶瓷材料,但该加工方法有望应用于更广泛的陶瓷制备技术中,以满足生物医学、能源和催化等各个领域的应用要求。


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http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603390/abstract

3D Printing of Emulsions and Foams into Hierarchical Porous Ceramics

Adv. Mater., 2016, 28, 9993-9999, DOI: 10.1002/adma.201603390


(本文由小希供稿)


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