当前位置：首页>南京>南京林业大学《Advanced Functional Materials》| 基于3D打印皮克林乳剂的轻质高强度相变复合材料

南京林业大学《Advanced Functional Materials》| 基于3D打印皮克林乳剂的轻质高强度相变复合材料

2026-05-11 06:31:06

南京林业大学周晓燕、陈敏智团队提出了一套基于 3D 打印 Pickering 乳液的轻质高强相变复合材料一体化制备策略，一次性解决了传统相变材料（PCM）3D 打印中储能密度、打印流变性能、力学强度三者无法兼顾的核心难题。相关成果以“Lightweight and High-Strength Phase Change Composites Based on 3D-Printable Pickering Emulsions”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。

亮点：创新性与突破

1、以可聚合VAc稀释剂同步调控乳液流变与反应活性，突破高负载PCM打印瓶颈。

2、首创双重原位固化构建"内壳-外网"协同结构，实现分子级封装与界面强化。

3、3D打印双尺度孔隙架构，同步获得超轻、高强、低导热与抗热循环泄漏性能。

WHY：研究背景与意义

在全球能源危机与碳中和目标下，相变材料因高效储热成为热能管理关键技术，而3D打印可突破其传统成型的几何限制，但现有3D打印相变材料普遍面临储能密度、打印流变性能、力学强度难以兼顾的核心矛盾，同时传统相变材料还存在熔融泄漏、热循环易开裂、微胶囊与基体界面结合差等问题，Pickering乳液虽可稳定封装相变材料，却仍难以适配3D打印的流变要求，因此亟需开发能同步解决可打印性、高储能、强力学与防泄漏的一体化相变复合材料制备新策略。

WHAT：研究内容

本研究提出以可聚合油相稀释与双重原位固化为核心的多尺度协同增强策略，成功解耦能量存储密度、可打印性与机械强度之间的固有矛盾。首先，引入醋酸乙烯酯（VAc）作为反应性活性稀释剂，通过降低石蜡油相界面张力与粘度，优化Pickering乳液流变行为，赋予其优异剪切稀化特性与连续打印能力；随后，在打印过程中触发双重原位聚合机制——油相VAc单体聚合相分离形成致密聚醋酸乙烯酯（PVAc）内壳实现初级封装，水相丙烯酰胺单体同步构建 robust 聚丙烯酰胺（PAM）交联外基质网络，与界面纤维素纳米晶（CNCs）骨架协同形成"内壳-外网"三层复合防护结构。该策略实现了"一步法" streamlined 制造，通过CNC骨架、PVAc壳层与PAM基质的无缝整合确保优异界面完整性，使打印器件在保持高能量密度（110.5 J/g）的同时，获得8.32 MPa的抗压强度，可承受超过自重50000倍的载荷，并具备0.111 W/(m·K)的低导热系数与优异热循环稳定性，为兼具储能与承载功能的多功能器件增材制造开辟了新途径。

图1 皮克林乳液制备及 3D 打印示意图

HOW：研究方法

研究团队通过以下方法实现了这一创新：

1、Pickering乳液制备与调控：以石蜡/醋酸乙烯酯（PW/VAc）混合油相为芯材，纤维素纳米晶（CNCs）为固体颗粒稳定剂，通过高速乳化制备O/W型Pickering乳液；系统调控VAc摩尔比例（10:0至0:10）及油水比（4:6至6:4），优化界面张力、液滴尺寸分布与流变行为。

2、流变学与打印性能表征：采用毛细管法测定油相界面张力，结合光学/共聚焦显微镜观察乳液微观形貌；通过稳态剪切、振荡应力/频率扫描及阶跃剪切测试系统评价乳液的剪切稀化、屈服应力、触变恢复等流变特性，确定最优打印参数（PW:VAc=10:5，油水比6:4）。

3、双重原位固化与结构构建：在乳液墨水挤出成型后，以405 nm紫外光引发自由基聚合，同步实现油相VAc原位聚合形成PVAc内壳、水相丙烯酰胺聚合形成PAM交联外基质网络，构建CNCs-PVAc-PAM三层复合防护结构。

4、多尺度结构表征与性能测试：利用SEM、FTIR、XRD、DSC、VT-FTIR及2D相关光谱分析微观结构、化学组成、结晶行为与分子动力学；通过DMA、单轴压缩、高温负载及红外热成像评价热机械稳定性、承载能力与隔热性能。

结论

本文通过可聚合油相稀释调控Pickering乳液流变性能并结合双重原位固化构建"内壳-外网"协同结构，成功实现了兼具高储能密度（110.5 J/g）、优异机械强度（8.32 MPa）和超低导热系数（0.111 W/(m·K)）的轻质高强3D打印相变复合材料的制备，为绿色建筑和能源高效利用领域的被动式热能管理提供了新途径。

✦

•✦