3Dプリント層状多孔質材料の研究

テキスト: Additive Light

階層的多孔質材料は自然界に遍在しており、触媒支持体、バイオスキャフォールド、軽量構造など、さまざまな用途に使用されています。 3D プリンティングにより、格子、多孔質構造、フォームの形で多孔質材料をさまざまなスケールで製造できます。しかし、「層状多孔質材料への犠牲テンプレートの 3D 印刷」と題された論文の研究者チームによると、「現在のアプローチ」では、マクロスケールからナノスケールに及ぶ孔サイズを持つバルク多孔質材料を迅速に製造することはできないとのことです。 ”

研究論文では、著者らは、ナノ、マイクロ、マクロのスケールで多孔性を示す層状材料の 3D 印刷を可能にするインク配合をどのように開発したかを説明しています。

研究者らは、「ここでは、ナノエマルジョンとその他のマイクロテンプレートで構成される当社の 3D 印刷インクを使用して、数百ナノメートルからミリメートルの範囲で複雑な形状と制御可能な細孔サイズを持つ階層的材料を生成します。結果として得られる多孔質材料の細孔サイズは、印刷パスと細孔テンプレートコンポーネントのサイズを選択することで簡単に調整できます。サブミクロンの細孔は粒子安定化ナノエマルジョンによって生成され、より大きな液滴または犠牲ポリマー粒子は 10～100μm のサイズ範囲の細孔を生成するために使用されます。最後に、階層的多孔質材料のマクロ的な複雑な形状と大規模な細胞構造は、3D 印刷プロセスによって決定されます」と述べています。

研究者らは、2段階の乳化プロセスを通じて安定したナノ液滴を形成した。これらのナノ液滴は、超遠心分離によって濃縮できるほど安定しており、油の揮発性に応じて乾燥または焼結するとナノ多孔質構造に直接変換できる高密度のプラギングテンプレートを形成します。

研究者らは次のように続けた。「ナノ粒子は前駆体液滴の表面に緻密な層を形成するため、乾燥と焼結後には通常、閉じたナノ細孔が得られます。しかし、処理中にエマルジョンがわずかに不安定化して、粒子で部分的にしか覆われていない液滴表面が生成される場合、開いた細孔も形成される可能性があります。この研究で研究されたエマルジョンの場合、このわずかな不安定化は、分散相としてコーン油をデカンに置き換えることで実現できることが分かりました。焼結後にプロセスを調整して開いた細孔または閉じた細孔を生成できるため、対象アプリケーションに必要な特性に合わせて多孔質構造を調整できます。」

材料をゆっくりと連続的に堆積させるのではなく、インク内のテンプレート化された液滴と粒子の自己組織化によってナノ細孔とマイクロ細孔が生成されるため、3D 印刷プロセスはシンプルで高速です。インクの準備中に凝集する傾向があるため、シミュレートされた液滴は、乾燥および固化時に作成される細孔壁を形成する粒子によって安定化される必要があります。

研究者らは、「この安定化メカニズムを促進するために使用される界面活性剤の両性イオン性により、さまざまな化学的性質を持つ粒子を幅広く使用できます。さらに、乾燥した印刷構造は、インクの配合に応じて化学的に、または熱処理によって硬化できます。これらの特徴を 3D 印刷の複雑な成形機能と組み合わせることで、プロセスは高度に調整可能になり、さまざまな用途の階層的多孔質材料の設計とデジタル製造の新たな可能性が開かれます」と結論付けました。

出典: Additive Light

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