《Small Methods》马里兰大学胡良兵: 3D 打印、高孔隙率、高强度石墨气凝胶

　　摘要

　　全球对 塑料泡沫材料 的需求是巨大的（ 年价值约为 3413 亿美元 ），并且在现代社会需求不断增长的推动下，仍在以 4.8% 的年增长率飙升 。大多数现有的泡沫材料由塑料制成，需要数百年才能降解，导致严重的全球污染问题。

　　最近， 马里兰大学 胡良兵教授 团队 报道了一种基于 3D 石墨-纤维素纳米纤维 (G-CNF) 泡沫的泡沫材料的可降解、可回收和经济高效的解决方案，该泡沫材料由资源丰富的石墨和纤维素通过先进的 3D 打印制成。 CNF 可以在物理超声处理下直接分散石墨，无需任何化学反应。CNFs 与石墨的相互作用通过 CNFs 中亲水和疏水面的作用使分散体聚合物的流变特性和良好的可加工性以及可调节的粘度用于 3D 打印。

　　图1 展示使用可回收、可降解和可印刷的甘蔗渣和石墨替代白色污染的照片和示意图。a) 白色泡沫污染。b) 塑料泡沫和 G-CNF 泡沫的数字图像。c）由自然界中的植物和石墨矿制成的印刷 G-CNF 气凝胶的可回收性和可降解性示意图。

　　具有设计形状的坚固、 可降解和可回收的 G-CNF 泡沫可以大规模印刷，显示出更高的机械强度（3.72 MPa 对 0.28 MPa 的拉伸强度和 2.34 MPa 对 1.11 MPa 的压缩刚度），更好的耐火性，比商业聚苯乙烯泡沫材料具有可降解性和可回收性 。所展示的 G-CNF 泡沫有可能取代商业塑料泡沫材料，代表了解决白色污染的可持续解决方案。相关论文以题为 3D-Printed, High-Porosity, High-Strength Graphite Aerogel 发表在《 Small Methods 》上。

　　图解

　　浆料和 3D 打印泡沫

　　图2 石墨/CNF浆料的流变特性，石墨/CNF浆料打印的详细过程，以及3D打印产品。 a) 对于浓度为 2, 4, 8, 10, 20, 30 wt% 的石墨/CNF 浆料，作为剪切速率函数的表观粘度。b) 对于不同浓度的石墨/CNF 浆料，储能模量 (G') 和损耗模量 (G") 作为振荡应力 (Pa) 的函数。c) 透明玻璃烧杯中的自立式石墨/CNF 浆料。d) 装入注射器的石墨/CNF 浆料的数字图像。e) 石墨/CNF 浆料可以从内径为 1.0 mm 的针头中连续挤出。f) 显示印刷过程中多层堆叠的数字图像。g) 使用具有各种设计形状的石墨/CNF 浆料的 3D 打印石墨气凝胶。（卷纸、圆杯、盒子和金字塔）。

　　图3 G-CNF泡沫的微观结构以及密度和FT-IR表征。 a) 由非常柔软和轻盈的蒲公英制成的 G-CNF 泡沫。b) G-CNF泡沫结构示意图。c) G-CNF 泡沫的多层堆叠。d) G-CNF 泡沫和商业塑料泡沫之间的密度比较。e,f) 从顶视图方向看纳米结构的 SEM 图像。g) CNF 和石墨/CNF浆料的 FT-IR 光谱。h,i) 石墨/CNF泡沫纳米结构的侧视 SEM 图像。

　　机械性能

　　图4 G-CNF泡沫与市售塑料泡沫的机械性能比较。 a) G-CNF 泡沫和商业塑料泡沫的极限拉伸强度和拉伸刚度的比较。b) G-CNF 泡沫和商业塑料泡沫之间压缩刚度的比较。c) 商业塑料泡沫和 G-CNF 泡沫的拉伸和压缩性能。G-CNF 泡沫和商用塑料泡沫中代表性材料结构在d) 拉伸和 e) 压缩下的变形和断裂过程的有限元建模结果。

　　可降解性和可回收性

　　图5 在相同的测试条件下，G-CNF 泡沫与商业塑料 PS 泡沫相比的可降解性和可回收性的证明。 a) 与周围环境中的商业塑料泡沫相比，G-CNF 泡沫的可降解性证明。b) G-CNF 泡沫的可回收性证明。c) 商业塑料 PS 泡沫不可回收性的证明。d) 商用塑料 PS 泡沫在 4 秒内燃烧测试的数字图像。

　　总结

　　团队通过 3D 打印方法开发了一种可降解、可回收且重量轻的 3D 石墨纤维素泡沫作为先进的泡沫材料。石墨粉可以通过 CNF 直接分散成均匀稳定的浆料，无需表面活性剂或刺激性化学品。石墨/CNF 浆料保持高表观粘度以及良好的储存和损失模量稳定性，这使得从浆料生产连续长丝以构建 3D 结构成为可能。 印刷的 G-CNF 泡沫比商业塑料泡沫强 8 倍，具有 27.2 MPa 的高拉伸刚度和两倍的强度，具有 2.34 MPa 的高压缩刚度。 此外，打印的 3D G-CNF 泡沫表现出比商业塑料泡沫材料更好的阻燃性能，表明更好的安全性。由于石墨-CNF 复合材料中的可逆键合机制（即氢键），可以实现优异的降解性和可回收性。我们通过可逆氢键结合天然丰富且具有成本效益的材料（即石墨和纤维素）的策略代表了开发可回收、可降解和绿色泡沫材料以实现可持续应用的有希望的方向。

　　参考文献：

　　doi.org/10.1002/smtd.202001188

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