[发明专利]3D打印多孔固体的方法

说明书

一种通过直接气泡书写打印多孔固体（120）的方法，包括将包含可聚合单体的油墨制剂（102）和气体（104）引入喷嘴（106）中，该喷嘴（106）包括由外部流动通道（110）径向围绕的芯部流动通道（108）。油墨制剂被引导到外部流动通道（110）中，并且气体被引导到芯部流动通道（108）中。油墨制剂（102）和气体（104）以气泡流（112）的形式从喷嘴（106）中喷出，其中每个气泡包括包含气体的芯部（114）和覆盖芯部的液态壳（116），液态壳（116）包含油墨制剂。在喷射之后，使可聚合单体聚合以由液态壳（116）形成固体聚合物壳（118），并且气泡沉积在相对于喷嘴（106）移动的基材（122）上。因此，打印具有预定几何形状的聚合多孔固体（120）。

相关申请

本专利文件根据35U.S.C.§119(e)要求对2018年8月6日提交的第62/714,892号美国临时专利申请享有优先权，并通过引用的方式将其全部内容并入本专利文件。

技术领域

本公开内容总体上涉及三维打印(3D打印)，并且更具体地涉及多孔结构或多孔固体的3D打印。

背景技术

随着对轻质、高性能结构材料的需求增长，多孔固体在过去的几十年中变得越来越重要。多孔固体的微体系结构提供了高度可调的功能特性，因此它们在自然界和工业界无处不在。在自然界中发现的多孔固体可能会表现出密度梯度、局部受控的孔尺寸以及复杂的三维(3D)形状内的互连性，这可以允许在使用最少材料的情况下优化功能性能。例如，骨头和羽毛的坚硬表面和多孔芯提供了显著的抗弯曲和裂纹扩展能力，又不牺牲血管的低密度和可灌注性(perfusability)。合成的多孔固体由于其可调的机械性能、低密度和高的表面体积比，具有许多当前和潜在的应用，例如绝热、电池电极、分离、人工组织支架、压力传感器和个人防护装置。

多孔固体的力学、热学、声学和电学性能主要由孔隙率、组成材料和孔之间的互连性(例如，开放式与封闭式多孔架构)来定义。由于来自自然界的观察表明，对微体系结构进行局部控制可能是功能优化的先决条件，因此大块技术已被改进，以制造分级的多孔固体。然而，这些技术限于具有相对不受控制的多孔架构的模制零件。还探索了增材制造来制造多孔固体；然而，当前的技术可能在结构控制和建造速度之间显示出排他性。

发明内容

描述了一种打印具有预定的微结构和宏观结构的多孔固体的方法。

根据一个实施方式，该方法包括将油墨制剂和气体引入喷嘴中，该喷嘴包括由外部流动通道径向围绕的芯部流动通道。油墨制剂被引导到外部流动通道中，而气体被引导到芯部流动通道中。油墨制剂和气体以气泡流的方式从喷嘴中喷出，其中每个气泡包括包含气体的芯部和覆盖芯部的液态壳，液态壳包含油墨制剂。在喷射之后，液态壳被凝固以形成固体壳，并且气泡沉积在相对于喷嘴移动的基材上。因此，打印具有预定几何形状的多孔固体。

根据另一个实施方式，该方法包括将包含可流动的聚合物前体(例如可聚合单体)的油墨制剂和气体引入喷嘴中，该喷嘴包括由外部流动通道径向围绕的芯部流动通道。油墨制剂被引导到外部流动通道中，而气体被引导到芯部流动通道中。油墨制剂和气体以气泡流的方式从喷嘴中喷出，其中每个气泡包括包含气体的芯部和覆盖芯部的液态壳，液态壳包含油墨制剂。在喷射之后，将可流动的聚合物前体固化以形成固体聚合物壳，并且气泡沉积在相对于喷嘴移动的基材上。因此，打印具有预定几何形状的聚合多孔固体。

附图说明

图1是示出气泡书写过程的示意图，其中充气气泡从芯-壳喷嘴喷射并沉积在位于空间受控位置的基材上。在喷射之后，气泡被凝固，从而在基材上形成具有预定几何形状的多孔固体或泡沫。

图2A-2D示出了对于给定的油墨流速，气泡形态根据施加到喷嘴的气压而变化的图像，其中图2A是在低气压下喷射的连续流，并且在越来越高的气压下喷射一系列的单分散气泡(图2B)、一系列的双分散或三分散气泡(图2C)以及雾滴(图2C)。