浙大高超团队成功开发高密度高强度石墨烯微晶格液晶三维打印技术

来源：中国聚合物网

溶剂化石墨烯基材料是石墨烯宏观组装体制备领域的一个重要课题。利用氧化石墨烯（GO）水系分散液的液晶行为和胶体性质，科学家们已发展出了一系列以GO为前驱体制备石墨烯纤维，膜，气凝胶等宏观组装体的路线。然而，这些路线在适配3D打印技术时，出现了新的挑战。3D打印技术对打印墨水有高粘度，高模量，快速剪切变稀等的严苛的流变要求，传统的GO分散液难以达到。目前，已报道的文献中主要以添加剂法和高浓度法两种策略来实现GO前驱体的流变行为的改性。然而，这两种方法都未能解决，在3D打印石墨烯前驱体墨水中，高浓度和均相不相容的矛盾，另外，所得到的石墨烯材料局限于多孔结构，强度低，限制了3D打印石墨烯材料的实际应用。设计一种高浓度且均相的石墨烯前驱体墨水，用来制备高密度，高强度，高功能化的石墨烯3D打印材料是一个亟待解决的问题。

研究亮点：

• 设计了高浓度均相的GO/甘油（Glycerol）分散液作为3D打印墨水，探索了氧化石墨烯浓度对于分散液流变行为的影响。
• 利用墨水直写技术，制备石墨烯微晶格材料。得到的石墨烯微晶格材料表现出高密度，高强度，高可压缩性和高导电性的特质，具有良好的应用前景。
• 跟踪了高密度石墨烯微晶格材料压缩形变的微观结构演化，阐明了多级结构对高可压缩性的贡献。
  

浙江大学高超、许震团队，利用甘油分子对GO片溶剂化的作用，设计了GO/甘油3D打印墨水。该墨水具有较高的GO固含量（~6wt%），且保持了GO液晶相，实现了GO高浓度的均相分散。利用该墨水制备的石墨烯微晶格材料表现出了高强度（~62.7MPa），高抗压性（~90% 压缩形变），高导电性能（x-y平面内导电率2073 S m-1，z方向导电率~250 S m-1）的特性，开拓了新型三维石墨烯框架材料的范畴，为石墨烯材料在储能，复合材料，催化等领域的应用打下了基础。

图1：对比GO/甘油3D打印墨水和重分散GO水系分散液墨水的偏振光显微镜照片a）、d），墨水中GO片的显微照片b）、e）及GO片投影面积的统计结果c）、f）。对比GO/甘油墨水和重分散GO水系分散液在不同浓度（5wt%，6wt%）下的粘度g），动态模量h）和屈服剪切应力i）。

图2：a）不同结构的石墨烯微晶格样品及图案光学照片。3D打印柴垛结构石墨烯微晶格外表面b），内部截面c）及放大d)的电子显微镜照片。E）对比由GO/甘油墨水和重分散GO水分散液分别所得到的石墨烯框架材料的片层堆叠情况。

图3：3D打印石墨烯微晶格机械性能。a）应变幅度步进的加载循环下的应力应变曲线。b）本文中所制备的石墨烯微晶格压缩性能及破坏强度与文献中3D打印石墨烯材料的对比。c）石墨烯微晶格杨氏模量与密度的关系。

相关成果以“Liquid crystalline 3Dprinting for superstrong graphene microlattices with high density”为题发表在Carbon (Carbon 159 (2020)166-174)上，论文的第一作者为高超团队的博士后王方。论文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江大学百人计划等相关经费的资助。

原文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S0008622319312746