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3D打印-凝胶的形成原理是什么?

更新时间: 2021-07-31 14:49:27  查看次数: 226    
二氧化硅颗粒在环氧树脂基体中的分散状态,可以看到其并非完全均匀的分布在基体中,而是局部有团聚,但是团聚体之间似断非断地连接在一起。

可以通过凝胶的形成原理进行合理地解释。凝胶是由于胶质粒子联结成三维网络,束缚分散介质的流动而形成的。在我们的材料体系中,胶质粒子是气相纳米二氧化硅颗粒,分散介质则是环氧树脂。未经处理的气相法二氧化硅颗粒表面,本身存在很多羟基,相邻的颗粒表面之间由于羟基的存在会形成氢键相互作用而联结,当颗粒空间分布足够多的时候,本来分散的颗粒之间都会相互联结,进而形成三维网络,使得混合物呈现凝胶状态。

 凝胶材料3D打印出的北极熊造型


当二氧化硅颗粒含量相同的时候,比表面积越大的,表面的羟基密度越大,那么颗粒相互作用就越强,形成的三维网络就越稳定,这解释了A380与A150样品之间的差别。

R106表面经修饰过后,甲基取代了原来的羟基,因而变成了疏水表面,但也因此相同含量下颗粒之间相互作用较弱,无法联结成为三维网络,因此无法形成凝胶装态;作为对比,R202表面修饰的硅氧烷烃基团,链段较长,相邻颗粒表面间的分子链会相互缠结,相互作用较强,因此仍然可以联结成三维网络,进而形成凝胶状态。值得注意的是,这种颗粒间的作用,无论是氢键还是分子链相互缠结都不是强相互作用,在外力的千扰下会被破坏,因此都存在屈服,依据相互作用的相对强弱,屈服应力也会相应存在差异。

为了进一步验证以上的理论解释,我们对R202进行了高温烧蚀处理(1000°C,30min),将其表面的官能团都烧蚀掉。通过上图的红外光谱图可以看到,原本存在的官能团都己经被去除。再将其用相同的方法和步骤分散到环氧树脂基体中,粘弹状态发生了巨大的转变。在相同含量的情况下,已无法形成稳定的凝胶状态,体系处于可流动状态。其原因正是高温破坏了表面的化学,使得颗粒间的相互作用消失,无法联结成稳定的三维网络,进而导致体系处于可流动装态,与之前的解释相一致。