3D打印高孔隙率高强度石墨纤维素泡沫

　　马里兰大学胡良斌Small Methods：3D打印高孔隙率、高强度石墨-纤维素泡沫
　　DOI: 10.1002/smtd.202001188
　　全球对塑料泡沫材料的需求巨大（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，仍以每年4.8％的速度迅猛增长。大多数现有的泡沫材料由塑料制成，需要数百年才能降解，从而造成了严重的全球污染问题。针对该问题，本文报道了一种可降解、可回收且经济高效的解决方案，即通过先进的3D打印技术，由资源丰富的石墨和纤维素制备出基于3D石墨-纤维素纳米纤维（G-CNF）泡沫的泡沫材料。CNFs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与石墨的相互作用使其具有类分散聚合物的流变性能和良好的加工性能，粘度可调，适用于3D打印。坚固、可降解且可回收的G-CNF泡沫有着精心设计的形状，可大规模印刷，与商用聚苯乙烯泡沫材料相比，本研究所制备的泡沫材料显示出更高的机械强度（拉伸强度3.72MPa vs. 0.28MPa；压缩刚度2.34MPa vs. 1.11MPa）、更好的耐火性、可降解性和可回收性。该G-CNF泡沫有望取代商用塑料泡沫材料，可作为针对白色污染的可持续解决方案。
　　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。
　　图2.石墨/CNF浆料的流变特性，石墨/CNF浆料印刷的详细过程和3D打印产品。a）对于浓度为2、4、8、10、20和30wt％的石墨/CNF浆料，其表观粘度与剪切速率的函数关系。b）对于不同浓度的石墨/CNF浆料，其储能模量（G＂）和损耗模量（G＂）与振荡应力（Pa）的函数关系。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1.0mm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）使用各种形状的石墨/CNF浆料制备3D打印石墨气凝胶。
　　图3.G-CNF泡沫的微观结构以及密度和FT-IR的表征。a）由非常柔软和轻盈的蒲公英支撑的G-CNF泡沫。b）G-CNF泡沫的结构示意图。c）多层堆叠的G-CNF泡沫。d）G-CNF泡沫和商用塑料泡沫之间的密度比较。e,f）纳米结构的顶视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。
　　图4.G-CNF泡沫与商用塑料泡沫的力学性能比较。a）G-CNF泡沫和商用塑料泡沫的最终拉伸强度和拉伸刚度的比较。b）G-CNF泡沫和商用塑料泡沫的压缩刚度比较。c）商用塑料泡沫和G-CNF泡沫的拉伸和压缩性能。d）拉伸和e）压缩下，G-CNF泡沫和商用塑料泡沫中代表性材料结构变形和断裂过程的有限元建模结果。
　　图5.G-CNF泡沫与商用塑料PS泡沫在相同试验条件下的可降解性和可回收性。a）G-CNF泡沫在自然环境中的可降解性，并与商用塑料泡沫进行比较。b）G-CNF泡沫的可回收性。c）商用塑料PS泡沫的不可回收性。d）商用塑料PS泡沫4秒燃烧试验的数字图像。
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