来源：EFL生物3D打印与生物制造
3D打印技术为制备具有复杂几何形状的先进功能材料带来了新机遇，气凝胶3D打印因原材料丰富、功能多样备受关注。然而，当前气凝胶3D打印面临诸多挑战。一方面，多数3D打印气凝胶需添加助剂，或受限于简单几何形状，这是因为墨水的流变特性与期望的打印精度不匹配，难以在保留气凝胶固有微观结构和特性（如骨架密度、孔隙率、比表面积等）的同时实现高精度打印，影响了其在不同领域的应用性能。另一方面，现有改进方法，如添加流变助剂或采用新兴3D打印技术，存在容易破坏气凝胶固有结构、引入过多光聚合成分等问题，无法有效解决无添加剂气凝胶复杂形状打印的难题。
来自同济大学物理科学与工程学院杜艾教授、周斌教授团队开展研究，提出了一种流变匹配策略。该团队利用具有屈服应力的支撑介质（屈服应力为57.3
Pa），通过悬浮3D打印，成功实现了使用超低储能模量（≈2 Pa）和类流体损耗因子（tan
α>1）的墨水打印无添加剂的RF气凝胶。这一策略不仅克服了挤出墨水的重力和毛细管塌陷问题，还缓解了传统可打印墨水溶胶 -
凝胶流变快速演变带来的负面影响。相关工作以“Additive-Free Aerogel 3D Printing Using Ultra-Low
Storage Modulus Inks”为题发表在《Advanced Functional
Materials》上，为气凝胶3D打印开辟了新途径，有望推动气凝胶在多领域的广泛应用。文章第一作者是同济大学博士后杨建明博士。
1.
WRF墨水和SMM支撑介质的流变学，通过旋转流变仪进行剪切速率扫描、振荡对数应力扫描等实验，研究了WRF墨水和SMM支撑介质的流变特性。结果表明，SMM初始表观粘度高，具有剪切变稀行为，在57.3
Pa的剪切应力上下呈现不同的类固、类液特性；WRF墨水初始粘度和模量低，始终呈现类液特性，其储能模量约2 Pa，损耗因子tan α=3
，远低于现有气凝胶3D打印墨水。此外，SMM在高低剪切应变切换下具有快速可逆的相变特性，与WRF墨水的再固化过程兼容，且弱流变特性的墨水更有利于相邻层间的粘附。
2.
各种墨水的流变学和悬浮3D打印，以具有相同配方但不同流变强度的RFS、WRF和PRF三种无添加剂墨水为研究对象，在25°C监测其流变演化，并进行悬浮3D打印实验，结合Hagen-Poiseuille近似方程分析。结果显示，RFS墨水流变几乎不变但无法保持打印结构；随着墨水流变强度增加，打印保真度提高，WRF墨水虽屈服应力低，但SMM支撑介质的流变耐受性可抵消挤出墨水的重力和毛细管力，使其打印结构完整保留；而PRF墨水因溶胶-凝胶流变演化过快，打印过程提前终止，说明墨水与支撑介质的流变匹配是悬浮3D打印成功的关键。
3.
无添加剂气凝胶的悬浮3D打印，运用悬浮3D打印技术制备无添加剂气凝胶，通过扫描电子显微镜（SEM）、氮吸附/解吸等温线等手段对其微观结构、孔隙特征等进行表征。结果表明，该方法制备的气凝胶具有均匀的纳米结构，呈现典型的介孔特征，分类为IV型等温线。打印的RF气凝胶比表面积经超临界干燥和冷冻干燥分别为240.8平方米/克和165.4平方米/克，碳化后显著增加。气凝胶的孔径分布集中在12.4纳米和31.2纳米左右，且密度较低，压缩测试显示其在60%压缩后结构仍完整，弹性模量较低，体现出该方法构建无添加剂气凝胶复杂结构的优势。
4.
气凝胶基太阳能蒸汽发生（SSG）装置的制备和性能表征，设计并制备基于碳化RF气凝胶的SSG装置，利用太阳光模拟器、红外相机、电子天平串联装置评估其性能，通过测量温度变化、质量变化计算蒸发速率和效率。结果显示，SSG装置在光照下升温迅速，表面温度可达71.2°C
，蒸发速率显著高于纯水，H9、H4、V9、V4装置的蒸发速率分别为1.85 - 2.30千克每平方米每小时，效率在111.15% -
138.79%之间，优于纯水。这得益于悬浮3D打印设计的复杂微纳结构，其增加了表面积和水传输通道，减少了热损失，增强了蒸发效率。
5. 循环稳定性和多水源通用性，通过在连续光照和黑暗循环条件下监测V4
SSG装置的表面温度和海水质量变化，评估其循环稳定性；使用多种水源进行蒸发实验，并通过电感耦合等离子体发射光谱仪检测离子浓度，研究其多水源通用性。结果表明，V4
SSG装置循环稳定性优异，在一周的海水净化过程中蒸发速率保持在约2.20千克每平方米每小时，盐积累量仅约为蒸发器总质量的30%，冷凝水离子浓度大幅降低，符合饮用水标准。在多种水源下，装置蒸发速率稳定且保持在较高水平，展现出良好的多水源通用性。
研究结论
本研究开发出一种有效方法，能够使用超低储能模量（约2
Pa）的墨水制备无添加剂的RF气凝胶。流变学匹配结果显示，该方法不仅能抵消挤出墨水的重力与毛细管力之和，还能减轻传统可打印墨水快速演化的溶胶-凝胶流变学带来的负面影响。无添加剂的RF气凝胶兼具固有特性与灵活的3D空间设计，碳化后在太阳能蒸汽生成方面性能增强。尽管该方法在打印精度上存在局限，但气凝胶固有的纳米孔隙使其足以满足多种应用需求。未来，结合快速凝胶化过程或可克服精度限制，优化悬浮微凝胶基质成分则可能进一步缩短制备时间。总体而言，无添加剂的制备方法最大程度保留了气凝胶的固有特性，与3D打印的协同效应拓展了其功能。本研究认为该方法也适用于多种功能性气凝胶物体的3D构建，聚焦提升墨水的长期可打印性和机械强度，将有助于无添加剂气凝胶的大规模生产，并为海洋、核工程和太空探索等领域带来创新应用机遇。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202423739
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