一种3D打印技术打印石墨烯气凝胶材料的方法

摘要

一种利用3D打印技术打印石墨烯气凝胶材料的方法，加入苯酚‑三聚氰胺‑甲醛‑糠醛混合体系后，大幅度降低了上述缺陷的出现，并且由于同时又加入了胶原蛋白，提高了成型性能，减小了变形现象，提高了层与层之间的结合力，较好地利用现在比较先进的3D打印技术实现了石墨烯气凝胶产品的制备。

权利要求

1.一种利用3D打印技术打印石墨烯气凝胶材料的方法，其特征在于该方法包括：

1)配置3D打印材料：将石墨烯、氧化石墨烯的混合物分散在水溶液中，在然后在上述溶液中逐渐加入苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系和KHSO4，其中苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系和KHSO4的摩尔比分别为0.8∶1∶06∶0.9∶0.7，利用超声振动，形成均匀的溶液；

并且在形成均匀的溶液之后，再在超声振动的情况下振动胶原蛋白，胶原蛋白与石墨烯的质量比为1∶5～1∶30，然后在50-60℃的温度下加热70-90分钟，得到水凝胶；

2)使用AutoCAD软件设计出所需结构形状的零件模型，主要是针对有封闭空腔、复杂内腔的零件模型，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.02mm～0.20mm，得到零件的三维模型数据；

3)把切片后的零件的三维模型数据导入3D打印设备的存储器中，然后将步骤1)中得到的水凝胶注入到3D打印设备中，混合的水凝胶材料通过3D打印设备的喷嘴按照三维数据模型进行逐层打印，每层的厚度不超过0.20mm，分层打印后浆料中的有机单体通过化学交联形成三维网状聚合物凝胶，从而迅速固化，逐层累积形成坯体；

4)坯体成型后，放入真空中进行干燥处理，并将坯体在200-300℃的情况下处理，得到需要的产品。

2.根据权利要求1所述的一种利用3D打印技术打印石墨烯气凝胶材料的方法，其特征在于，胶原蛋白与石墨烯的质量比为1∶15。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用3D打印技术打印石墨烯气凝胶材料的方法，其特征在于，将坯体在250℃的情况下处理，得到需要的产品。

4.根据权利要求3所述的一种利用3D打印技术打印石墨烯气凝胶材料的方法，其特征在于，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.10mm。

说明书

一种3D打印技术打印石墨烯气凝胶材料的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种3D打印技术打印气凝胶材料的方法，特别地涉及利用3D打印技术打印石墨烯气凝胶的方法。

背景技术

[0002] 气凝胶材料是一种多孔的超轻合成材料，气凝胶材料凝胶的液体成分通常被气体取代。气凝胶是由纳米级胶体粒子或高聚物分子构成的多孔性非晶固体材料，也是目前合成材料中最轻的凝聚态材料。其独特的开放性纳米级多孔结构和连续的三维网络，使之具有极低的密度、高比表面积和高孔隙率，表现出强吸附催化能力、低热导率、低声阻抗及低折射率等特性，因此气凝胶已成为良好的催化剂及其载体、吸附剂及气体过滤材料，并成功地应用于Cherenkov探测器、声阻抗耦合材料、高效隔热材料等。其独特的分形结构、动力学特征和低温热学性质也使之成为理想的理论研究材料，尤其在新技术如宇宙尘埃的捕获、μ原子研究及3He-4He相转变研究等方面的应用。此前的现有技术中，在工业中试图制造大规模的石墨烯气凝胶的过程中，会产生一种较大的随机孔隙结构，这种结构在分选、流体电池和压力传感器等特殊应用中，具有调整材料的运输等机械属性的能力。

[0003] 但目前的孔隙结构都是随机的，石墨烯气凝胶作为以可控和可扩展方式为特殊应用提供量身定做的结构还是无法实现。无法针对像分离、液流电池和压力感测器等特定应用的需求，专门在材料上设计传输或其他机械特性在一定程度上限制了石墨烯气凝胶的功能和进一步的扩张应用。

[0004] 3D打印技术出现在20世纪90年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

[0005] 有研究者视图利用3D打印技术打印气凝胶材料，但目前的气凝胶材料不合于3D打印，3D打印时会出现裂纹、变形等，无法应用的实际的产品中。因此，目前还没有适于打印的气凝胶材料和工艺。

发明内容

[0006] 本发明是根据现有技术存在的问题，将3D打印技术应用到石墨烯气凝胶的生成过程中，其能够设计气体凝胶的孔洞结构，从而能控制大量制造与传输，以及最佳化实体特性，例如刚性。这一发展可望为气体凝胶的创新与创造力应用开启更多设计空间。通过本发明的方法和工艺，使得石墨烯气体凝胶具有高表面积、绝佳的导电性、重量轻以及展现机械刚度与超压缩性(高达90％的压缩应力)等特点。此外，3D打印的石墨烯气体凝胶还表现出比大型石墨烯材料更进一步的性能提升，以及更有效的大量传输。

[0007] 本发明针对3D打印技术的特点，首先专门研发了适于3D打印技术的石墨烯气凝胶材料，具有一定的韧性，使得制备的材料适于分层成型，减小了成型过程中的变形，同时保持了较高的压缩强度和热稳定性；其次，通过针对石墨烯气凝胶材料的3D打印工艺进行了研究，更加保证了材料的最终性能。

[0008] 石墨烯气凝胶具体的3D打印方法包括：

[0009] 1)配置3D打印材料：将石墨烯、氧化石墨烯的混合物分散在水溶液中，在然后在上述溶液中逐渐加入苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系和KHSO4，其中苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系和KHSO4的摩尔比分别为0.8∶1∶06∶0.9∶0.7，利用超声振动，形成均匀的溶液；并且在形成均匀的溶液之后，再在超声振动的情况下振动胶原蛋白，胶原蛋白与石墨烯的质量比为1∶5～1∶30，然后在50-60℃的温度下加热70-90分钟，得到水凝胶；

[0010] 2)使用AutoCAD软件设计出所需结构形状的零件模型，主要是针对有封闭空腔、复杂内腔的零件模型，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.02mm～0.20mm，得到零件的三维模型数据；

[0011] 3)把切片后的零件的三维模型数据导入3D打印设备的存储器中，然后将步骤1)中得到的水凝胶注入到3D打印设备中，混合的水凝胶材料通过3D打印设备的喷嘴按照三维数据模型进行逐层打印，每层的厚度不超过0.20mm，优选每层以相同的厚度进行打印，分层打印后浆料中的有机单体通过化学交联形成三维网状聚合物凝胶，从而迅速固化，逐层累积形成坯体：

[0012] 4)坯体成型后，放入真空中进行干燥处理，并将坯体在200-300℃的情况下处理，得到需要的产品。

[0013] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0014] (1)本发明利用现在比较先进的3D打印技术实现了石墨烯气凝胶产品的制备，达到了节约材料、方便产品控制的目的；

[0015] (2)本发明专门针对3D打印技术的成型特点——分层成型进行了材料研发，由于分层成型的层比较薄，如果使用现有技术的材料，会使得在分层成型的过程中的每一层发生翘曲，多层成型后还会发生变形和开裂，本发明在逐渐加入苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系后，大幅度降低了上述缺陷的出现，并且由于同时又加入了胶原蛋白，提高了成型性能，减小了变形现象，提高了层与层之间的结合力。

具体实施方式

[0016] 实施例1

[0017] 石墨烯气凝胶具体的3D打印方法包括：

[0018] 1)配置3D打印材料：将石墨烯、氧化石墨烯的混合物分散在水溶液中，在然后在上述溶液中逐渐加入苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系和KHSO4，其中苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系和KHSO4的摩尔比分别为0.8∶1∶06∶0.9∶0.7，利用超声振动，形成均匀的溶液；并且在形成均匀的溶液之后，再在超声振动的情况下振动胶原蛋白，胶原蛋白与石墨烯的质量比为1∶15，然后在50-60℃的温度下加热70-90分钟，得到水凝胶；

[0019] 2)使用AutoCAD软件设计出所需结构形状的零件模型，主要是针对有封闭空腔、复杂内腔的零件模型，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.02mm，得到零件的三维模型数据；

[0020] 3)把切片后的零件的三维模型数据导入3D打印设备的存储器中，然后将步骤1)中得到的水凝胶注入到3D打印设备中，混合的水凝胶材料通过3D打印设备的喷嘴按照三维数据模型进行逐层打印，每层的厚度不超过0.20mm，优选每层以相同的厚度进行打印，分层打印后浆料中的有机单体通过化学交联形成三维网状聚合物凝胶，从而迅速固化，逐层累积形成坯体：

[0021] 4)坯体成型后，放入真空中进行干燥处理，并将坯体在250℃的情况下处理，得到需要的产品。

[0022] 实施例2

[0023] 石墨烯气凝胶具体的3D打印方法包括：

[0024] 1)配置3D打印材料：将石墨烯、氧化石墨烯的混合物分散在水溶液中，在然后在上述溶液中逐渐加入苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系和KHSO4，其中苯酚-三聚氰胺-甲醛-糠醛混合体系和KHSO4的摩尔比分别为0.8∶1∶06∶0.9∶0.7，利用超声振动，形成均匀的溶液；并且在形成均匀的溶液之后，再在超声振动的情况下振动胶原蛋白，胶原蛋白与石墨烯的质量比为1∶30，然后在50-60℃的温度下加热70-90分钟，得到水凝胶；

[0025] 2)使用AutoCAD软件设计出所需结构形状的零件模型，主要是针对有封闭空腔、复杂内腔的零件模型，将零件模型进行分层切片处理，层片厚度为0.10mm，得到零件的三维模型数据；

[0026] 3)把切片后的零件的三维模型数据导入3D打印设备的存储器中，然后将步骤1)中得到的水凝胶注入到3D打印设备中，混合的水凝胶材料通过3D打印设备的喷嘴按照三维数据模型进行逐层打印，每层的厚度不超过0.20mm，优选每层以相同的厚度进行打印，分层打印后浆料中的有机单体通过化学交联形成三维网状聚合物凝胶，从而迅速固化，逐层累积形成坯体：

[0027] 4)坯体成型后，放入真空中进行干燥处理，并将坯体在200℃的情况下处理，得到需要的产品。