第一个 可三维打印的聚苯乙烯气凝胶 在弗吉尼亚理工大学以前的高级研究中，气凝胶的合成和基本结构是不可复制的。通过这项创新，这种新改进的应用将转化为各种可能的气凝胶结构，并利用增材制造方法应用于不同行业。

气凝胶三维打印：创建超轻结构

三维打印 正在彻底改变材料开发和产品制造的方式。通过实现以前不可能实现的几何形状和设计，增材制造开辟了全新的应用领域和行业。气凝胶就是一类能从 3D 打印能力中受益匪浅的材料。

气凝胶 气凝胶是一种超轻多孔固体，由用空气取代液体成分的凝胶衍生而来。虽然气凝胶具有前所未有的绝缘性能，但传统生产的气凝胶仅限于基本形状。弗吉尼亚理工大学的研究人员认识到，3D 打印技术可以实现错综复杂的结构，从而突破这些革命性材料的界限。

他们的突破性进展是开发出了第一种可使用专用高温打印机直接进行三维打印的聚苯硫醚（PPS）气凝胶。 聚苯乙烯气凝胶 气凝胶既能保持其绝缘性能，又能从聚合物中获得机械强度。这为通过沉积方法控制气凝胶的宏观到纳米级结构铺平了道路。

这种方法改变了气凝胶设计的可能性。进一步优化可打印成分的研究将释放出更大的潜力。本报告将探讨弗吉尼亚理工大学团队开发三维可打印聚苯乙烯气凝胶的开创性工作，以及对下一代气凝胶应用的影响。

气凝胶材料的特性和应用

气凝胶的历史和组成

1931 年，美国加州大学圣巴巴拉分校的塞缪尔-斯蒂芬斯-基斯特勒偶然发现了气凝胶。他在研究硅胶时发现，可以将硅胶与空气交换。这就形成了一个近 99% 的空气空间，基斯特勒将其命名为 "气凝胶"。气凝胶是一种基于凝胶的新型纳米材料，凝胶的液相被气体取代。这是因为凝胶的干燥是在超临界条件下进行的，因此液体可以被提取出来，而结构不会受到毛细力的影响。这种独特的生产工艺使气凝胶具有其他材料所不具备的极端特性。

气凝胶的优点和局限性

优势

气凝胶的一些主要优点包括

• 密度极低--通常比空气密度小 100 倍。二氧化硅气凝胶的密度可小于水的 3%。
• 高隔热性能--气凝胶的孔径极小，并含有封闭的空气或气体，因此具有极佳的隔热性能。
• 隔音--声波不易穿过气凝胶的网状结构。
• 透明度--当密度足够低时，气凝胶对可见光是透明的。

局限性

气凝胶的主要局限性包括

• 易碎 - 气凝胶是脆性固体，如果压力过大，容易破裂或压碎。处理时必须特别小心。
• 生产复杂性--生产过程，尤其是超临界干燥，需要精确控制和专业设备，因此气凝胶比传统材料更加昂贵。

气凝胶目前的应用

隔热和隔音

气凝胶可用于建筑围护结构、服装和燃料低温储存等领域的隔热。气凝胶还具有隔音性能，可用于汽车和飞机的降噪面板。

气体分离膜

有些金属气凝胶配方只允许氢气或氦气等特定气体通过，可用于工业气体分离和净化过程。

透明隔热材料

当气凝胶纯净透明时，它能让光线透过，但却能阻挡红外线和热量的传递，为节能建筑窗户创造了一种新型的 "透明隔热材料"。

弗吉尼亚理工大学研究聚苯硫醚 (PPS) 气凝胶

摩尔和威廉姆斯研究合作

弗吉尼亚理工大学大分子与界面研究所的研究人员泰勒-摩尔（Tyler Moore）和埃里克-威廉姆斯（Eric Williams）一直在合作开发聚苯硫醚（PPS）气凝胶材料。聚苯硫醚是一种工程热塑性塑料，以其耐热性和耐化学性著称，但以前从未制成气凝胶形式。

开发 PPS 气凝胶材料

摩尔和威廉姆斯看到了制造 PPS 气凝胶的潜在优势，这种气凝胶既能利用聚合物固有的强度和稳定性，又能获得气凝胶网络的低密度和绝缘性能。通过对凝胶化和超临界干燥技术的实验，他们成功地制造出了第一块纯 PPS 气凝胶单体。

初步测试表明，PPS 气凝胶的孔隙率超过 90%，但仍能保持致密塑料的拉伸强度。气凝胶的高多孔结构具有极佳的隔热性能和极高的表面积，适用于催化等应用。与致密的 PPS 部件相比，气凝胶的不透明性允许更均匀地加入染料或填料。

简单的 PPS 凝胶生产工艺

与二氧化硅或间苯二酚-甲醛气凝胶相比，PPS 气凝胶生产方法的一个显著特点是操作简单。研究小组发现，PPS 溶液聚合后冷水凝固的一步法工艺可产生自支撑湿凝胶网络。

然后，通过超临界二氧化碳干燥去除水分，而不会使结构坍塌。无需使用有毒的交联剂或催化剂，从而避免了复杂的化学合成。这使得 PPS 气凝胶的生产更经济、更环保。

三维打印聚苯乙烯气凝胶的优点

也许最具创新性的一点是，气凝胶的流变特性使其可以在干燥前通过直接写墨进行三维打印。这就为复杂的定制气凝胶部件提供了可能，其内部结构也可以进行设计。

摩尔和威廉姆斯正在研究配制不同密度、硬度和导电性的气凝胶 "油墨"，用于 4D 打印，实现打印后的形状转换。轻型可穿戴设备、可部署的航空航天结构和生物医学支架都是设想中的一些应用。

弗吉尼亚理工大学团队开发的可三维打印聚苯硫醚气凝胶开辟了高性能绝缘材料的新设计领域，充分利用了增材制造的生产优势。目前正在通过合作研究探索进一步的应用。

三维打印聚苯乙烯气凝胶

戈德肖尔和劳的贡献

弗吉尼亚理工大学工程学教授威尔-戈德肖（Will Godshall）和沃尔夫冈-劳（Wolfgang Rau）加入了泰勒-摩尔（Tyler Moore）和埃里克-威廉姆斯（Eric Williams）的研究工作，以实现三维打印聚苯乙烯气凝胶的潜力。戈德肖带来了增材制造技术方面的专业知识，而劳则擅长聚合物的高温加工。

他们的目标是共同开发所需的三维打印能力，以便直接在打印机内处理超临界干燥阶段，从而实现加工循环。这将消除打印湿凝胶最终气凝胶部件的任何形状限制。

设计高温 3D 打印机

Godshall 监督了一台工业聚合物三维打印机的重新设计，该打印机的打印室可承受高达 400°C 的温度和超过 150 bar 的压力。该打印机采用了特殊的密封和加热元件，并安装了用于监控封闭式干燥过程的窗口。

该团队还安装了对关键参数（如温度梯度和印刷部件上的应力）的实时监控。Rau 实施了软件控制，以精确调节超临界二氧化碳暴露的条件，使其与 Moore 和 Williams 开发的干燥条件相匹配。

聚苯乙烯气凝胶的印刷和后处理

测试验证了高温打印机的功能后，摩尔和威廉姆斯开始优化 PPS 气凝胶 "墨水 "的流变性能，以便进行直接沉积。最初的打印结果表明，墨水的非牛顿剪切稀化特性可以实现精致的悬挂结构。

在封闭室中，条件被提升到二氧化碳临界点以上，同时降低了应力。这样就可以对打印部件进行完全的超临界萃取和干燥，而不会使所需的复杂三维结构发生坍塌或变形。

通过印刷调整气凝胶特性

通过改变打印速度、密度和超临界加工曲线，研究小组可以设计出绝缘值在 0.03 到 0.20 W/m-K 之间的气凝胶，并可定制机械强度。总体积的孔隙率从 80 到 98%。

更精细的打印还让研究人员在微观尺度上引入了复杂的内部通道和层次，这是其他任何方法都无法实现的。这种 "4D 打印气凝胶 "概念在生物医学再生支架方面备受关注。

弗吉尼亚理工大学的合作通过创新的高温工作流程，率先实现了聚苯硫醚气凝胶的全添加三维打印。进一步的工作可能会扩大可打印气凝胶材料库。

三维打印聚苯乙烯气凝胶的影响

弗吉尼亚理工大学研究团队开发的三维可打印聚苯乙烯气凝胶对气凝胶技术的发展具有重大意义。其中一些重要影响包括

实现复杂的气凝胶形状和设计

增材制造技术可以生产出具有前所未有的几何形状的气凝胶，这在以前是不可能实现的。内腔、分级多孔结构、交错轮廓--3D 打印技术极大地拓展了设计空间。

这样就能在复杂的三维形式上定制气凝胶的特性，从生物医学植入物到可部署的航天器组件。可改变形状的 "4D 打印 "为刺激触发的变形提供了可能性。

隔热和轻质结构的应用

PPS 气凝胶将绝缘性能、机械强度和耐化学性/耐热性结合在一起，适用于具有挑战性的环境。印刷单体或混合复合材料可为在高温下运行的设备、管道和工业设施提供绝热材料。

轻质气凝胶部件有助于节省燃料和提高运输效率。建筑气凝胶格子可以彻底改变隔热建筑面板，并为全新的气凝胶建筑技术铺平道路。

减少材料使用，提高效率

添加式打印只沉积所需的材料，按需生产气凝胶，材料浪费极少。在实现相同功能的情况下，复杂几何形状使用的材料比块状材料要少。

与多步骤批量方法相比，在单个闭环三维打印机中加工气凝胶还能显著提高效率。这提高了气凝胶的商业可行性，使其在工业领域得到广泛应用。

进一步开发材料的潜力

高温三维打印所实现的精细加工控制，可使以前无法实现的新型高性能聚合物和复合材料气凝胶化。

新型气凝胶 "油墨 "可在打印过程中加入先进的纤维、板材、颗粒或功能添加剂，从而开发出新一代多功能可打印气凝胶材料。这将推动航空航天、能源、电子等领域的进一步创新。

总之，类似弗吉尼亚理工大学首创的三维打印方法能让设计师和工程师以前所未有的方式控制从微观到宏观尺度的材料结构，从而使气凝胶得到更广泛的应用。

结论

摩尔、威廉姆斯、戈德肖尔、劳和他们在弗吉尼亚理工大学的合作者所进行的研究是气凝胶材料领域的一项重大突破。通过开发第一种可三维打印的聚苯乙烯气凝胶和定制打印/加工技术，他们为气凝胶的利用开辟了全新的途径，而这在以前是不可能实现的。

三维设计和生产气凝胶的能力使其成为在宏观、微观甚至纳米尺度上量身定制的复杂建筑结构，从而开启了广泛的新应用领域。从轻质隔热材料和复合材料到生物医学支架和可部署的航空航天组件，三维打印气凝胶将对许多行业产生重大影响。

虽然这项工作的重点是聚苯硫醚，但经过改进的高温三维打印能力也为其他聚合物和混合气凝胶系统的增材制造提供了原型。可打印气凝胶成分的不断创新将进一步扩展其设计空间。三维打印气凝胶的商业利用具有巨大潜力，可在全球范围内实现更高效的产品和建筑隔热。

常见问题

问：是什么让 PPS 成为气凝胶三维打印的理想选择？

答：PPS 是一种工程热塑性塑料，以强度、耐热性和化学稳定性著称。这些特性使 PPS 气凝胶能在三维打印机内进行超临界干燥等高温处理时保持形状。

问：PPS 气凝胶墨水的流变特性如何实现 3D 打印？

答：聚苯硫醚气凝胶油墨是非牛顿型和剪切稀化型的，这意味着它们在挤出时容易流动，但凝固速度很快，可以打印悬垂和复杂的设计。它们的粘度还可以根据不同的打印机和分辨率进行调整。

问：3D 打印聚苯乙烯气凝胶正在开发哪些类型的应用？

答：潜在用途包括用于管道、设备和建筑面板的轻质隔热材料。复杂的晶格结构可实现新的建筑技术。通过不断的研究改进，航空航天、生物医学和能源方面的应用也在探索之中。