[发明专利]一种3D打印有机纳米纤维气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种3D打印有机纳米纤维气凝胶的制备方法，包括以下步骤：剪碎后的有机静电纺纳米纤维膜和聚电解质溶液混合后进行均质分散，获得有机纳米纤维分散液，向其中加入光敏单体和光引发剂并加热搅拌，获得光敏墨水，将其加入到激光‑直写式3D打印装置的打印料筒中，根据预设打印模型的G代码进行打印，获得3D打印纳米纤维湿凝胶，将其冷冻干燥，获得未交联的3D打印纳米纤维气凝胶，随后将其进行热交联处理，获得3D打印有机纳米纤维气凝胶。与现有技术相比，本发明的制备方法工艺简单，制备并使用的光敏墨水粘度低、成型性好，能够制备得到精度高且结构复杂的3D打印纳米纤维气凝胶。

技术领域

本发明涉及有机纳米纤维气凝胶技术领域，尤其是涉及一种3D打印有机纳米纤维气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶具有超轻、高孔隙率和高比表面积等特点，在环境治理、生物医用、吸音隔热等领域得到了广泛的应用，是目前新材料领域研究内容的重点之一。气凝胶材料根据骨架组成物质的不同可分为三类：无机气凝胶、有机气凝胶和炭气凝胶。目前，制备气凝胶一般利用溶胶-凝胶法，该方法制得的材料均匀度高，制备工艺简单。溶胶-凝胶法主要包括三种：(1)凝聚法，溶液中聚合物单体聚合或聚合物单体共聚形成凝胶；(2)胶体粉末溶胶的凝胶化；(3)盐类前驱体经水解或缩聚形成凝胶。而有机气凝胶的制备一般采用凝聚法，通过调整反应体系前驱体的配比参数来控制凝胶结构，凝聚法制备凝胶经过三个过程：一是形成初次粒子，二是粒子的进一步长大和支化，三是粒子间进行交联形成三维网络结构。此方法制备的有机气凝胶结构和性能可调性高，但制备时使用大量有机溶剂，且存在热收缩率高、脆性大、弹性低等不足，限制了在弹性要求较高的领域的应用。

静电纺纳米纤维作为一种新兴的纤维材料，其直径由传统纤维的微米数量级降至了纳米数量级，由此带来的高比表面积、小孔径、高孔道连通性等结构特点，但纤维在垂直方向上难以实现有效的贯穿交错，使材料呈现出各向异性的层状结构特征，导致材料孔隙率低、层间易剥离，严重限制了材料应用性能的提升，阻碍了静电纺纤维产业的发展。因此，以纳米纤维为构筑基元，通过均相乳化分散及冷冻凝胶化获得体型的纤维凝胶聚集体，结合临界干燥过程的气-液无损置换，制备出纳米纤维气凝胶，具有压缩回弹性好、低密度、高孔隙率等特点，但目前纳米纤维气凝胶的制备是利用模具成型或切削成型，而该方法制备的纳米纤维气凝胶尺寸精度低，且难以制备复杂多样的形状(如中空、网格、多曲面等)。

为了克服这些问题，研究者相继做出大量的实验探索。CN110982111A公开了3D打印芳纶气凝胶、其制备方法及应用，所述制备方法包括：至少将芳纶纳米纤维、溶剂均匀混合形成芳纶纳米纤维分散液，通过冷冻-直写式成型法，溶胶-凝胶转换和干燥处理，获得3D打印芳纶气凝胶，此发明的3D打印芳纶气凝胶的制备方法具有更广泛的分散性，工艺简单，结构可设计，但此发明的芳纶纳米纤维分散液粘度大，易于堵塞喷嘴，造成打印不连续，尺寸精度低。

因此，亟需开发出一种制备工艺简单、粘度低和成型性好的光敏墨水、精度高且结构复杂的3D打印纳米纤维气凝胶的制备方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种3D打印有机纳米纤维气凝胶的制备方法，本方法的制备方法中，制备并使用的光敏墨水粘度低、具有剪切变稀特性、成型性好，并采用激光-直写式3D打印成型技术，能够制备出精度高和结构复杂的3D打印有机纳米纤维气凝胶。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的是保护一种3D打印有机纳米纤维气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

第一步、将剪碎后的有机静电纺纳米纤维膜加入到聚电解质溶液中，得到混合液，将所得混合液进行均质分散，获得有机纳米纤维分散液；

第二步、将光敏单体和光引发剂加入到第一步所得有机纳米纤维分散液中，加热搅拌，获得光敏墨水，所得光敏墨水具有非牛顿流体特性；