新型添加剂气凝胶3D打印框架：硬件与墨水的协同开发

《ACS Omega》：A New Framework for 3D Printing Aerogels with Additives: Hardware and Ink Development

本文系统介绍了一种用于含添加剂气凝胶3D打印的新型框架，通过定制化注射泵硬件改造和专用墨水配方开发，成功实现了二氧化钛（TiO2）纳米颗粒掺杂二氧化硅气凝胶的高精度（<1mm）制造。该研究采用商用熔融沉积建模（FDM）打印机进行模块化改造，配合剪切变稀型气凝胶墨水的流变学调控，结合氨蒸气凝胶化和超临界CO2干燥后处理工艺，获得比表面积达407 m2/g、密度0.15 g/cm3的功能化结构，为催化、隔热等应用提供了可定制化解决方案。

　　

引言

添加剂制造（3D打印）技术通过逐层堆积方式构建复杂结构，在材料科学领域展现出革命性潜力。气凝胶作为具有高孔隙率、低密度和大比表面积的超轻材料，在热管理和环境修复等领域具有广泛应用前景。本研究聚焦于开发新型3D打印方法，用于制备掺杂二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒的气凝胶结构，旨在通过硬件改造和墨水配方优化，实现功能化气凝胶的可控制备。

方法

3D打印硬件设计

研究选用商用Creality Ender 3 Pro 3D打印机进行改造，采用定制注射泵系统替代传统挤出装置。该系统的核心组件包括步进电机、传动齿轮组和T8丝杠机构，通过将旋转运动转化为直线运动实现精密挤出。关键部件采用聚乳酸（PLA+）材料进行3D打印，齿轮比优化为8:32以平衡打印速度与扭矩需求。计算表明，针对粘度100 Pa·s的墨水和特定喷嘴几何结构，维持3.24 cm³/min流速所需挤出力约为1.73 N。

3D打印软件与校准

针对传统切片软件与气凝胶墨水的不兼容性问题，开发了基于Python的专用校准软件。该软件通过USB接口与打印机通信，具备G代码终端、线性运动控制和挤出校准等功能模块。采用水作为牛顿流体参考物质，通过体积法校准步进电机位移与挤出量的对应关系，建立了独立的流变行为校准体系。

气凝胶墨水制备

墨水配方以Evonik公司的Dynasylan 40（SiO₂含量40-42 wt%）为基础，加入1-戊醇、硝酸和蒸馏水形成初始溶液。随后引入聚丙二醇二胺（PPGNH）作为粘度调节剂，盐酸作为催化剂，并加入5-20 μm硅气凝胶颗粒和TiO₂纳米颗粒（添加量为硅含量的50 wt%）。通过高速搅拌实现组分均匀分散，固体体积分数估计为40%-50%。

结果与讨论

流变学特性

采用锥板流变仪对硅-TiO₂凝胶样品进行测试。小幅振荡剪切（SAOS）显示储能模量（G′）大于损耗模量（G″），呈现典型凝胶特性。大幅振荡剪切（LAOS）测试表明，在临界应变（γc）后出现弱应变过冲现象，屈服应力为369.1 Pa。恢复实验证实墨水具备触变性，能在挤出后恢复固态特性，这对保持打印形状至关重要。粘度测试显示墨水在制备后45天内仍保持稳定剪切变稀行为。

3D打印工艺

打印过程中通过优化注射器装填工艺消除气泡干扰，采用玻璃基板结合向日葵籽油润滑剂防止结构损伤。打印后立即进行氨蒸气凝胶化（30分钟至3小时），随后通过乙醇溶剂交换和超临界CO₂干燥（85 bar, 50°C, 4小时）获得最终结构。成功打印出网格和圆柱形结构，线宽可达亚毫米级。

结构表征

氮吸附测试显示成品比表面积为407 m²/g，密度0.15 g/cm³。扫描电镜（SEM）观察证实TiO₂颗粒（55-230 nm）在气凝胶网络中均匀分散，六甲基二硅氮烷（HMDS）处理可进一步优化表面疏水性。

结论

本研究成功开发了适用于添加剂气凝胶的3D打印系统，通过硬件改造、软件优化和墨水配方创新，实现了功能化气凝胶的高精度制造。该技术为定制化气凝胶器件在催化、环境修复等领域的应用提供了可行路径，未来可进一步拓展至光催化微反应器等前沿应用。