[发明专利]一种3D打印纳米纤维/纳米片陶瓷气凝胶的制备方法

说明书

本发明涉及一种3D打印纳米纤维/纳米片陶瓷气凝胶的制备方法，包括以下步骤：将聚乙烯醇溶液和莫来石前驱体溶胶混合，搅拌后获得纺丝液；将其进行静电纺丝，经真空干燥、高温煅烧，获得柔性莫来石纳米纤维膜；将其剪切为小块，加入到聚丙烯酰胺溶液中，均匀分散，获得莫来石纳米纤维分散液；向其中加热粘结剂、光引发剂、光敏单体、纳米片分散液，搅拌后脱泡处理，获得3D打印墨水；进行3D打印，获得3D打印莫来石纳米纤维/纳米片湿凝胶，冷冻干燥和高温烧结，获得3D打印纳米纤维/纳米片陶瓷气凝胶。与现有技术相比，本发明的能够制备得到尺寸精度高、可导电、力学及吸波性能优异、宏观结构可精确控制的3D打印纳米纤维气凝胶。

技术领域

本发明涉及气凝胶技术领域，尤其是涉及一种3D打印纳米纤维/纳米片陶瓷气凝胶的制备方法。

背景技术

陶瓷类气凝胶具有高孔隙率、大比表面积、低密度、低热导率和高热耐氧化性的特征，因此广泛应用于吸附分离、隔热保暖、国防军工、工业催化、吸音降噪等领域。陶瓷类气凝胶主要有颗粒类陶瓷气凝胶、纤维增强陶瓷气凝胶和纳米纤维陶瓷气凝胶等，颗粒类陶瓷气凝胶拥有类珍珠项链状微观结构的三维网络，这种低效率的结构连续性本质上导致了颗粒类陶瓷气凝胶的天然脆性。此外，归因于小的纳米粒子的高比表面能，严重的粒子聚集和结构坍塌在高温下可能导致气凝胶的灾难性失效，包括结构裂纹、强度退化、体积收缩，限制了其实际应用。通过在陶瓷类气凝胶中引入纤维材料，制备出纤维增强陶瓷气凝胶，有效增强了气凝胶的力学性能，但纳米颗粒与纳米颗粒状间、纳米颗粒与纤维间的相互作用很小，导致纤维增强陶瓷气凝胶在外力作用下存在易粉化、易脱落的问题，严重限制了其实际应用；纳米纤维陶瓷气凝胶由大量直径为100-300nm、长度为20-150μm的缠结纳米纤维组成，不仅有效地克服了脆性问题，而且大大提高了耐热能力。但是这类纳米纤维陶瓷气凝胶的构建方法通常是模具一次成型或切削加工二次成型，由于模具几何形状及切屑加工精度(毫米级)的限制，导致纳米纤维陶瓷气凝胶形状单一、尺寸精度及分辨率较低的问题。

3D打印技术具有工艺简单、制备产品尺寸精度高、原料利用率高以及可实现复杂结构等优势，为解决上述的问题，CN114213142公开了一种3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶的制备方法，采用本发明可实现硅铝氧化物陶瓷墨水可控热固化，获得低密度、低热导率、耐高温且具有高结构完整性和高形状保真度的3D打印硅铝氧化物陶瓷气凝胶。此专利获得的陶瓷气凝胶属于颗粒类陶瓷气凝胶，具有类珍珠项链状微观结构的三维网络，导致了其硅铝氧化物陶瓷气凝胶的力学性能差。而使用直写式3D打印技术制备纳米纤维陶瓷气凝胶的相关研究鲜有报道，同时，随着超高速飞行器、运载火箭等的不断升级换代，对高性能材料的轻质复杂结构和多功能化的发展提出了更高的要求，结构功能一体化材料已成为研究的重点和热点。

因此，亟需开发出一种尺寸精度高、可导电、力学及吸波性能优异、宏观结构可精确控制的3D打印纳米纤维/纳米片陶瓷气凝胶的制备方法。

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打印纳米纤维/纳米片陶瓷气凝胶的制备方法，本方法的制备方法中，制备并使用的3D打印墨水均匀稳定、原料绿色无污染，并采用激光-直写式3D打印成型技术，可制备尺寸精度高、可导电、力学及吸波性能优异、宏观结构可精确控制的3D打印纳米纤维/纳米片陶瓷气凝胶。

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打印纳米纤维/纳米片陶瓷气凝胶的制备方法，包括以下步骤：

第一步、将聚乙烯醇溶液和莫来石前驱体溶胶混合，在室温下搅拌4h后获得纺丝液；

第二步、将第一步所得纺丝液进行静电纺丝，得到莫来石前驱体纳米纤维膜，进行真空干燥，然后进行高温煅烧，获得柔性莫来石纳米纤维膜；