[发明专利]一种可燃烧的3D直写墨水及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种可燃烧的3D直写墨水及其制备方法和应用，本发明通过采用金属粉末作为保型材料，对应金属粉末的氧化物起到氧化剂作用，采用水溶性聚合物作为燃料，采用上述材料加入水中，混合均匀后，形成一种可燃烧的打印墨水，可通过热台等方式引燃，采用3D直写打印将该墨水打印结构引燃后，制备等级孔电化学电极，与现有技术相比，墨水配方新颖，采用该配方制成的墨水进行3D打印，打印过程操作简单，生产周期短，可大规模制备等级孔电化学电极。

技术领域

本发明属于功能材料及制造技术领域，具体涉及一种可燃烧的直写墨水制备方法及在电化学转化中的应用。

背景技术

等级孔材料具有等级孔道的属性，可以同时实现高比表面积和高传质效率，使其成为电化学能源储存与转化研究的热点领域。3D打印过程可以合理调控初次孔结构及丝直径，有效改善传质效率，3D打印多孔电化学电极用于高效的能源储存与转化，为解决能源危机和环境问题提供了新视野，成为近几年电化学电极研究的新兴领域。

初次孔的形成依赖预先设计的3D打印路径及打印参数的调控，其形成方式简单直接，针对不同的3D打印方式，高次孔的构筑方法不同，一般通过不同的后处理工艺得以实现。制备等级孔电化学电极的3D打印方式主要包括三种：数字投影光固化(DLP)、熔融沉积成型(FDM)以及选区激光熔融(SLM)，这些3D打印技术所适用的材料体系受限，制备的电极需要复杂耗时的诸如活化、电化学沉积等后处理工艺才能形成高次孔，电极结构往往存在孔径分布窄、导电性差、传质效率低、空间利用率不足等缺点，严重制约高性能电化学能源储存与转化器件的发展。

3D墨水直写技术结合不同后处理工艺广泛应用于制备基于氧化石墨烯等级孔碳基电化学电极。然而，氧化石墨烯搭建的孔状结构一般停留在数微米到数十微米的范围内，缺乏介孔结构；另一方面，氧化石墨烯经过高温热还原或化学还原才能恢复部分导电性，还原过程耗时苛刻。利用3D墨水直写技术加工具有孔状尤其是等级孔金属基电化学电极的研究较少，目前只有少数课题组开展了相关工作。3D墨水直写技术制备多孔金属电极基于模板刻蚀法，模板刻蚀法是制备孔状结构通常采用的一种方法，将具有特定空间结构的物质“模板”引入到基体当中，然后将模板材料去除来制备具有“模板识别部位”的孔状结构。模板多种多样，最常见的有聚合物、金属以及NaCl等。然而此法严重依赖模板的尺度、表面性质，此外，模板不易彻底去除，产生部分残留，从而影响电极的性能。3D直写金属基多孔结构涉及繁复耗时的后处理过程包括极高的温度(通常采用管式炉，要加热到上千摄氏度，加热时间长且耗能)、易燃易爆气体、腐蚀性强酸以及惰性气体的使用。因此开发一种打印结构能采用低能耗、低成本、短时间、方法简易的后处理工艺制备电化学电极的3D打印直写墨水势在必行。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种可燃烧的3D直写墨水及其制备方法和应用，采取如下技术方案：

本发明通过简单研磨共混制备了一种可燃烧的3D直写打印墨水，墨水各组分如下：

金属粉末:20％-45％；

氧化剂:25％-50％；

水溶性聚合物:10％-20％；

水:10％-30％；

其中，金属粉末可选择熔点较低的金属，熔点范围在300-2000℃，优选400-1500摄氏。

金属粉末在该墨水中，主要起到保型的作用，通过调整选择金属粉末在该墨水中的比例，保证墨水在后续3D打印引燃时整体结构的稳定性，避免坍塌，若金属粉末太少，在燃烧过程中容易变形，金属粉末过多，打印过程中容易发生堵嘴。

进一步地，金属粉末为镍、铜、银、锌或铝等。

墨水成分中的氧化剂为燃烧过程提供氧气，氧化剂含量太高，容易在燃烧过程中生成金属氧化物，导致燃烧后金属电极组分不纯，含量过低，则不能引燃。