[发明专利]用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水及制备方法和基于其的吸附材料和应用

说明书

本发明公开了一种用于3D打印的蒙脱石纳米片墨水及其制备方法和基于其的吸附材料和应用，属于材料制备技术领域，采用这种墨水通过3D打印获得的材料可作为吸附、过滤材料用于废水处理领域。其中，墨水主要成分有蒙脱石、水和交联剂；3D打印获得的吸附材料在微观上是由蒙脱石纳米片构筑的多孔结构，宏观上为毫米孔组成的网格结构。本发明为蒙脱石的应用提供了一种新的方式，应用前景广泛。

技术领域

本发明属于无机纳米功能材料领域，特别是涉及一种用于3D打印技术的蒙脱石纳米片墨水及其制备方法和基于其的吸附材料和应用。

背景技术

随着现代工业的快速发展，大量的废水、废气、固体废弃物的产生对环境造成了严重的影响，其中水污染问题成为全世界关注的热点问题。水处理的方法多种多样，吸附法以其成本低、操作简便、高效等特点被认为是一种极具潜力的方法，其中吸附剂的设计是吸附技术应用的关键。当前的吸附剂种类虽然繁多，但因其制备工艺复杂、无法回收、成本高而难以大规模应用。蒙脱石(MMT)是一种天然的层状粘土矿物，因其发现于法国的蒙脱城而得名。蒙脱石是天然的二维材料、具有较强的阳离子交换性、优良的吸附性和良好的亲水性等，广泛应用于化工、冶金、建材、医药和农业等行业。通过功能化处理，蒙脱石在环境、能源和生物等领域也具有极广阔的应用前景。

三维打印(3D打印)是一种通过逐点、逐行或逐层增材方式构筑材料的方法，在几何形状、微观结构以及性能设计上具有很大的灵活度。与传统方法相比，其最大的特点是可以获得高度复杂、精确的微格点阵。对于高分子材料而言，脱离模具来成型指定几何形状、指定厚度的一层材料需要打印设备与材料的成型特点相互配合才能完成。通常情况下，能脱离模具成型特定几何形状和特定厚度的材料，需要在一定的外界刺激下，如紫外光、热等，实现快速固化成型。也可以利用材料自身的流变属性保持形状，从而实现3D打印成型的目的。目前比较常见的3D打印技术包括：围绕光固化材料而进行的光固化打印、围绕热塑性材料而进行的热熔沉积式打印，以及对材料种类不敏感但需要材料满足一定流变性质的墨水直写打印方式。

墨水直写技术是一种挤出式的3D打印技术，将打印头的运动路径与材料的挤出相配合即可完成单一片层的打印。就3D打印而言，对材料的基本要求之一就是能保持住形状。热塑性材料在熔融挤出后冷却能快速固化，因而能保持形状。另外，这些打印墨水多为凝胶状态，挤出丝之间可以形成良好的融合。所以，该技术的应用关键在于打印所用的墨水的设计与制备。

现有的墨水直写技术所用的墨水大多为有机物成分，成本相对较高，且有机物成分的使用会对环境有害。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于获得一种用于3D打印的蒙脱石纳米片墨水及其制备方法和基于其的吸附材料和应用，结合3D打印技术设计吸附材料结构，利用蒙脱石纳米片层结构比表面积大、吸附性强等特性，制备的高性能吸附剂，可用于废水处理领域。该制备方法简单，原料来源广泛，成本低廉，有利于大规模生产应用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水，该墨水是由交联的蒙脱石纳米片形成的凝胶；其原料以质量百分比计，由3.2％～8.3％的蒙脱石，86.8～96.3％的水，以及2.8％～5.9％的交联剂组成。

优选地，所用蒙脱石的微观形貌为纳米二维片层结构，片层厚度为3～12nm。

优选地，所述交联剂采用海藻酸钠、壳聚糖和聚乙烯醇中的一种或几种。

本发明还公开了上述的用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水的制备方法，包括：

将蒙脱石加入水中，充分搅拌，得到悬浮液，将悬浮液离心处理，取上清液；向上清液中加入交联剂继续搅拌，制得用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水。

优选地，离心处理的转速为2000～5000r/min，处理时间为5～30min。