氧化硅（SiO2）气凝胶是最早研发且目前最为成熟的气凝胶产品，为了满足不同应用场景的实际要求，氧化硅气凝胶通常需要被赋予特定的几何结构特征，以放大其应用功能性。然而，传统的制造技术在气凝胶的按需成型中仍然具有挑战性，因为它们的制造工艺昂贵且耗时，并且铸造模具的可设计性较差。本文提出了一种紫外线辅助直写打印策略，用于制备由氢键、烃链和聚硅氧烷组成的可调分子三交联的聚有机硅氧烷基气凝胶。直写印刷的实施依赖于连续油墨沉积和瞬时光聚合的紧密协同作用，成为随印凝固的相当特征，有利于构建结构复杂度高、形状保真度高的空间自由形态几何。所制备的3D打印聚有机硅氧烷基气凝胶具有优异的纳米多孔性能，如低密度、高比表面积、超疏水性、高比模量和低导热系数，是形状主导隔热应用的理想材料。这项工作将提供一种替代印刷策略，以制造具有任意架构的纳米多孔材料，以实现更广泛的应用。
相较于传统制造策略，3D打印作为一种“自下而上”逐层累积材料的制造技术，为制备高尺寸精度、高结构复杂度、高形状保真度的氧化硅基气凝胶提供了可行性方法。本研究工作采用紫外辅助直写3D打印策略，制备具有多重交联结构的聚有机硅氧烷气凝胶，实现气凝胶形状匹配隔热应用。如图1、2所示，作者首先制备了兼具有粘弹流体行为和光响应双重特性的硅烷墨水，墨水流畅挤出喷嘴，并在离开喷嘴的瞬间完成紫外诱导光固化成型，经过连续碱液处理、溶剂置换和超临界干燥过程得到多重交联结构的聚有机硅氧烷气凝胶。该3D打印技术具有以下优势：1、显著的边打印边固化特征，有利于灵活、自由、高效地制备高形状保真度的气凝胶几何结构；2、墨水具有多材料兼容性，可实现气凝胶定制功能化设计。
相关研究成果以 “Ultraviolet-assisted direct-write printing strategy towards polyorganosiloxane-based aerogels with freeform geometry and outstanding thermal insulation performance”为题发表在顶刊《Chemical Engineering Journal》上。
图1.紫外辅助直写3D打印策略制备聚有机硅氧烷气凝胶。(a) 3D打印过程的示意图。(b) 不同空间几何结构的3D打印气凝胶的照片
图2. 3D打印聚有机硅氧烷气凝胶的形态、孔结构与化学组成
