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3D打印图案化离子膜为膜技术发展插上翅膀

点击:466 日期:2016-06-04 选择字号:

  

    日前,美国宾夕法尼亚州立大学(Penn State)的研究人员开发出了一种新型3D打印技术,该技术能够在世界上首次快速原型和测试聚合物膜,并将其打印成各种图案以提高性能。

  离子交换膜在许多类型的能源应用中有着广泛的应用,比如可用于燃料电池和某些电池,以及水净化、海水淡化、重金属去除和食品加工等。一般来说,目前的大多数离子交换膜都是一种薄薄的平板,有点类似于我们厨房里的保鲜膜。但是,最近的研究表明,通过在其2D的膜表面上创建出3D结构,就可以出现有趣的流体力学特性,从而提高离子传输能力或者减轻污染,这是在许多膜应用中经常要面对的一个严重问题。


3D打印图案化离子膜为膜技术发展插上翅膀


  目前,要制作这些带有3D图案结构的膜(也被称为异形膜),涉及到一种相当繁重的工艺,即在一个硅胶模具上直接刻蚀出所需的图案,然后浇铸以聚合物并等待其硬化。这个过程既耗时又昂贵,而且只能生成一种图案形式。

  “我们认为,如果我们能够使用3D打印技术来制造我们自定义合成的离子交换膜,那么我们就快可以制造出任何一种图案,而且制造过程 会很快。”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程副教授Michael Hickner说。

  Hickner是这项研究的负责人,他的团队已经于2016年6月2日将该研究成果发表在了美国化学学会的杂志《ACS Applied Materials and Interfaces》,论文题目为《阴离子交换膜微图案的3D打印(3D Printing of Micro-patterned Anion Exchange Membranes)》Hickner的团队称他们开发的这种自定义3D光刻打印工业与当前常见的一种被称为光固化(SLA)的3D打印工艺类似。该团队开发出了一种可光固化的离子聚合物混合物,并将该混合物暴露在一台光投影仪之下硬化其基层,随后将设计好的图案投射并选择性地固化在其表面上。据称,这种表面图案能够增加膜的电导率多达1—3个数量级(factor)。

  “这种膜在电池或者燃料电池中起到电阻的作用。”Hickner说:“如果能将其电阻降低1至3个数量级的话,你真的会得到某种很有用的东西。”

  该项研究的第一作者,材料科学与工程博士研究生Jiho Seo补充道:“虽然以前我们也曾研究过膜表面的图案,但是这次是我们第一次3D打印出了这些结构的样品,而且它也是第一个真正表现出电阻正在以某种定量的方式降低的模型。我们只需一个简单的并联电阻模型就可以描述这些图案在降低这些新型膜的电阻方面发挥的影响。这一方法带给了我们一个设计工具,可以帮我们不断创新,设计出新的图案,以进一步改进材料的内在化学特性。

  据悉,未来该研究团队将继续优化他们3D打印的离子膜的几何和化学特性,以及了解如何打印新的材料,即在聚合物膜之外迄今从未被打印过的材料。

  "我们想要在基础化学和材料科学之间架起桥梁,这就需要进行工程开发和快速设计迭代,在这方面3D打印技术非常有用。”Hickner总结说。

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