苏州|苏州纳米所张学同：用微凝胶打印任意空间结构的Kevlar气凝胶！( 二 ) 3D打印|纳米纤维

图1. MSP策略下KNF油墨的动态溶胶-凝胶转变及微凝胶基质的流变特性。 (a) 打印的 KNF 细丝在微凝胶基质中的动态溶胶-凝胶转变过程。 (b) KNF 架构实际打印过程的数码照片。（c）动态应力扫描的对数图作为微凝胶基质的剪切应力的函数， DMSO 中不同百分比的 Carbopol 在 1 Hz 的恒定频率下。 c部分的插图是表观粘度随剪切速率变化的对数-对数图。 (d) 流化-固化行为， (e) 具有高低频转换的周期性振荡剪切扫描，以及 (f) 具有 2.5 wt % Carbopol 和 5 μL g-114-二溴的优化微凝胶基质的热稳定性 DMSO 中的丁烷 (Db) 。 (g) 辅助微凝胶基质的流变参数与油墨的可印刷性之间的关系。 (h) 通过基于挤压的 DIW 工艺报告的气凝胶的打印速度比较图。【MSP策略在KNF油墨印刷中的应用】为了探讨利用MSP策略印刷KNF油墨的能力，研究者印刷各种不同的图案，如波浪线、直线、锯齿线、三角形结构、以及更复杂的几何形状的四叶草，阿基米德螺旋，回文标记罗丹明6G根据预先设计的形状(图2a) 。此外，还成功打印出了倒置锥形烧瓶、挠性管、喇叭壳、空心球等壳体结构，具有良好的造型和可编程性(图2b) 。可以看出，在微凝胶基质的帮助下，可以获得任意形状，具有广阔的设计空间。图2c显示了脱质子KNF打印成含有DMSO、Carbopol和Db的微凝胶基质的机理。图2. 通过MSP策略实现KNF油墨的可打印性和可编程性。 (a) 四叶草 (v)、阿基米德螺线 (vi) 和回文 (vii) 的波浪线 (i)、直线 (ii)、曲折线 (iii) 和三角形 (iv) 线和复杂几何形状的数码照片用罗丹明 6G 标记。比例尺为 1 毫米。 (b) 用罗丹明 6G 标记的倒置锥形瓶 (i)、软管 (ii)、喇叭壳 (iii) 和空心球 (iv) 的壳结构的数码照片。比例尺为 1 厘米。 (c) 两种连续印刷的 KNF 墨水在微凝胶基质中的质子化和交联过程的示意图。 (d-f) 相应章鱼、飞机和船只结构的设计模型 (i)、在微凝胶基质中打印的 KNF (ii)、打印的 KNF 凝胶 (iii) 和打印的 KNF 气凝胶 (iv) 。比例尺为 1 厘米。【具有空间结构的Kevlar气凝胶的打印性能】为了展示 MSP 策略在实际领域的价值应用（图 3a），通过 MSP 策略打印预先设计的空间立体 3D-KAI-1 和 3D-KAI-2 并打包在一起以提高无人机锂的性能低温聚合物封装电池（D-LIPO）。由于气凝胶本质上优异的隔热能力和凯夫拉尔的极端温度耐受性，冷电流可能会阻塞，因此即使在极低的温度下电池仍然可以使用（图 3b）。此外， IV 型氮吸附/解吸等温线和孔径分布表明 3D-KAI 的 SBET 和孔体积分别为 230.2 m2 g-1 和 1.007 cm3 g-1 ，而报道的 KNF 气凝胶为 307.5 m2 g-1 和 1.955 cm3 g–1 ，分别（图 3c）；轻微的偏差可能是由于交联密度的增加造成的。
图3. 3D-KAI空间立体结构的保温性能。 (a) 3D-KAI-1 和 3D-KAI-2 的设计模型和封装组件。 (b) 用于隔热性能的气凝胶层示意图。 (c) 3D-KAI 和报道的 KNF 气凝胶的氮吸附-解吸等温线。 c部分的插图是相应的孔体积。 (d) 具有不同打印密度（10、20、30 mg cm-3 ，连字符前的数字）和厚度（1、3、5 mm ，连字符后的数字）的 3D-KAI 的红外图像。（e ， f）不同厚度（0（即板）、1、3、5 mm）的 3D-KAI 的温度-时间曲线。 e 部分的插图是涂有 3D-KAI 的 D-LIPO 的热图像。 (g) 有或没有 3D-KAI 涂层的 D-LIPO 的放电曲线。 (h) 有或没有 3D-KAI 涂层的 D-LIPO 的容量比较。【总结】总之，这项工作提供了一种通用的 MSP 策略，即微凝胶定向的悬浮打印策略，以实现将诱人的空间立体结构实现到 3D 气凝胶物体中。作为概念验证，通过调节辅助矩阵的公式构建了具有极高空间可编程性的 3D-KA 。 MSP策略有力地打破了目前基于挤出的3D打印对油墨粘弹性性能的限制，大大提高了打印速度。在特殊情况下，定制的3D-KAI由于其分层多孔结构为D-LIPO提供了优异的隔热性能，即使在-30°C也有利于保证正常放电容量。最后，通过这种稳健的策略构建了各种各样的空间可编程气凝胶，这为气凝胶的设计提供了普遍的见解，并将无疑促进其应用。尽管与传统的散装气凝胶相比，它的覆盖范围要窄得多，但通过这种多功能策略制备的具有任意空间立体结构的 3D 打印气凝胶物体将是制造业的巨大飞跃。