[发明专利]3D打印芳纶气凝胶、其制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种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‑直写成型法，溶胶‑凝胶转换和干燥处理，获得3D打印芳纶气凝胶。本发明还分别对所述3D打印芳纶气凝胶进行表面疏水改性和填充改性，分别得到疏水材料，光致变色材料和温度响应材料。本发明的3D打印芳纶气凝胶的制备方法具有更广泛的分散性，消耗更低的能量，更快的低温响应，更高的打印精度，工艺简单，流程短，所获3D芳纶气凝胶具有超低密度，良好的机械性能，结构可设计性，可应用于保温隔热、催化、分离/吸附、传感及软机器人等领域，极大的扩大了3D打印和芳纶气凝胶的应用范围。

技术领域

本发明涉及一种3D打印气凝胶，尤其涉及一种新型3D打印芳纶气凝胶及其制备方法与应用，属于3D打印和纳米多孔材料技术领域。

背景技术

3D打印技术是指直接从计算机辅助设计(CAD)中制作高度可定制的模型，利用分离技术将模型分解成多层结构，通过数控成型系统将材料逐层堆叠成实体产品。它主要包括熔融沉积成型、喷墨打印技术、立体平板印刷、选择性激光熔化技术、直写成型技术等。其中，直写成型技术是一种基于挤压的3D打印技术，即液态墨水材料的逐层沉积。直写成型技术可以与多种材料兼容，且可多种材料同时打印。3D打印技术具有极快的速度、高分辨率、可程序设计制备各种各样复杂的形状，且不需要使用任何复杂的工具，从而大大减少浪费的材料和成本，并满足按需制作，为构建具有不同功能的物体提供了可能。3D打印技术被广泛认为是一项革命性的制造技术，在航天、汽车、医疗、建筑、传感等诸多领域有着巨大的发展潜力。因此，进一步开发与3D打印兼容的材料并赋予材料多种功能响应，即赋予3D打印材料一些额外的性质，如超低密度、高孔隙率和大比表面积，将继续扩大其应用范围。

CN105128127A报道了利用3D打印技术制备石墨烯气凝胶，通过加入苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系后，大幅度降低了结构缺陷，并且由于同时加入了胶原蛋白，提高了层与层之间的结合力，减小了变形现象，但打印墨水中含有多种添加剂，从而影响石墨烯自身的性能，使其应用受到局限。针对目前石墨烯气凝胶制品导电性以及力学性能较差，CN107555422A报道了一种基于大尺寸高浓度的氧化石墨烯材料的3D打印石墨烯气凝胶方法，但是基于水体系的常温3D打印进程会使打印精度降低，进而使3D石墨烯气凝胶的应用受限。CN108046241A报道了一种3D打印超多孔弹性石墨烯气凝胶的方法，但制备过程中需要对墨水预处理及材料后清洗，制备过程繁琐。CN107936685A通过加入二氧化硅调控墨水流变性，采用溶胶凝胶结合3D打印技术，报道了一种可用于3D打印的聚酰亚胺墨水的制备方法，但该墨水中添加剂的加入同样限制了本体材料的性能和应用。

芳纶因其具有优异的机械性能和热稳定性、耐化学腐蚀、阻燃性和负热膨胀系数等优点，被广泛用于防护装备、运动保护等领域，在芳纶纳米纤维制备并获得广泛关注后，以芳纶纳米纤维为主体的气凝胶材料在红外隐身、隔热保温等领域展现出极高的应用潜力，但目前如何简单、快速、精确、低能耗的制备具有多功能的纯芳纶气凝胶材料以满足实际应用的需要，是一个迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种3D打印芳纶气凝胶及其制备方法，以克服现有技术中的不足，拓展3D打印和芳纶气凝胶的应用范围。

本发明的又一目的在于提供前述3D打印芳纶气凝胶的用途。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种3D打印芳纶气凝胶的制备方法，其包括：

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-直写成型法，以所述芳纶纳米纤维分散液作为3D打印墨水进行3D打印，获得3D打印芳纶冻凝胶；

对所述3D打印芳纶冻凝胶进行溶剂置换，得到3D打印芳纶水凝胶；