[发明专利]一种仿生3D打印气凝胶保温板材及其制备方法

权利要求书

1.一种仿生3D打印气凝胶保温板材，其特征在于，所述保温板材由具有极小曲面结构的支撑壳体和均匀分布在支撑壳体曲面空隙中的SiO₂气凝胶组成，所述SiO₂气凝胶占保温板材空隙体积比为40-90%；

所述极小曲面结构为D-曲面、P-曲面、H-曲面、CLP-曲面中的一种；

所述支撑壳体的原材料包括以下质量份的组分：石膏基胶凝材料60份，水30-60份，缓凝剂0.05-0.2份，增稠剂0.2-2.0份，减水剂0.1-0.50份，触变增强组份1-10份。

2.根据权利要求1所述的仿生3D打印气凝胶保温板材，其特征在于，所述石膏基胶凝材料为二水石膏，α半水高强石膏中的一种；所述缓凝剂为蛋白类缓凝剂，柠檬酸，三聚磷酸钠中的一种或多种；所述增稠剂为羟丙基甲基纤维素，羟乙基甲基纤维素中的一种，其中HPMC粘度为100000-200000 Pa·s，HEMC粘度为40000-150000M Pa·s。

3.根据权利要求1所述的仿生3D打印气凝胶保温板材，其特征在于，所述减水剂为聚羧酸减水剂，三聚氰胺减水剂中的一种；所述触变增强组份为纳米二氧化硅，凹凸棒土，耐碱玻璃纤维，玄武岩纤维中的一种，其中纳米二氧化硅粒径为5-40nm；凹凸棒土比表面积为200-1000m²/kg；耐碱玻璃纤维直径为10-20μm，长径比为300-1200；玄武岩纤维平均直径为13μm，长径比为350-1500。

4.根据权利要求1所述的仿生3D打印气凝胶保温板材，其特征在于，所述SiO₂气凝胶由SiO₂胶体溶液与碱性催化剂混合后凝胶再疏水处理得到，凝胶时间为3-30min；

所述SiO₂气凝胶的制备方法为：将复合硅源、乙醇、去离子水与聚二甲基硅氧烷混合均匀，用酸性催化剂调节体系pH值为1.5-2.5，在20-60℃下反应24h，得到SiO₂胶体溶液；

所述碱性催化剂为氨水，氨水与复合硅源摩尔比为0.002-0.005：1。

5.一种权利要求1-4任一所述的仿生3D打印气凝胶保温板材的3D打印方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）将支撑壳体的原材料按比例混合均匀，得到支撑壳体前驱体凝胶材料；

2）将SiO₂气凝胶的原料SiO₂胶体溶液与碱性催化剂混合均匀得到SiO₂前驱溶胶；

3）将步骤1）所得支撑壳体前驱体凝胶材料与步骤2）所得SiO₂前驱溶胶分别作为打印墨水置于3D打印设备的不同储料箱中，采用3D打印设备根据设计的保温板材的结构和尺寸逐层打印出支撑壳体和SiO₂气凝胶，打印完毕得到三维打印样品；

4）将步骤3）所得三维打印样品进行老化、溶剂置换、疏水改性、常压干燥处理，得到仿生3D打印气凝胶保温板材。

6.根据权利要求5所述的仿生3D打印气凝胶保温板材的3D打印方法，其特征在于，步骤4）所述老化工艺步骤为：将三维打印样品浸泡于无水乙醇中1-2d；

步骤4）所述溶剂置换步骤为：用有机溶剂异丙醇，正己烷，庚烷，戊烷，丙酮中的一种或多种浸泡三维打印样品，将三维打印样品中的无水乙醇和水置换出来。

7.根据权利要求5所述的仿生3D打印气凝胶保温板材的3D打印方法，其特征在于，步骤4）所述疏水改性步骤为：将三维打印样品浸泡于有机溶剂和三甲基氯硅烷的混合液中于20-40℃浸泡2-3d，其中三甲基氯硅烷与有机溶剂的体积比为0.1-0.3：1，然后用正己烷洗去三维打印样品表面的溶剂。