用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水及制备方法和基于其的吸附材料和应用技术

本发明专利技术公开了一种用于3D打印的蒙脱石纳米片墨水及其制备方法和基于其的吸附材料和应用，属于材料制备技术领域，采用这种墨水通过3D打印获得的材料可作为吸附、过滤材料用于废水处理领域。其中，墨水主要成分有蒙脱石、水和交联剂；3D打印获得的吸附材料在微观上是由蒙脱石纳米片构筑的多孔结构，宏观上为毫米孔组成的网格结构。本发明专利技术为蒙脱石的应用提供了一种新的方式，应用前景广泛。应用前景广泛。应用前景广泛。

【技术实现步骤摘要】
用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水及制备方法和基于其的吸附材料和应用


[0001]本专利技术属于无机纳米功能材料领域，特别是涉及一种用于3D打印技术的蒙脱石纳米片墨水及其制备方法和基于其的吸附材料和应用。

技术介绍

[0002]随着现代工业的快速发展，大量的废水、废气、固体废弃物的产生对环境造成了严重的影响，其中水污染问题成为全世界关注的热点问题。水处理的方法多种多样，吸附法以其成本低、操作简便、高效等特点被认为是一种极具潜力的方法，其中吸附剂的设计是吸附技术应用的关键。当前的吸附剂种类虽然繁多，但因其制备工艺复杂、无法回收、成本高而难以大规模应用。蒙脱石(MMT)是一种天然的层状粘土矿物，因其发现于法国的蒙脱城而得名。蒙脱石是天然的二维材料、具有较强的阳离子交换性、优良的吸附性和良好的亲水性等，广泛应用于化工、冶金、建材、医药和农业等行业。通过功能化处理，蒙脱石在环境、能源和生物等领域也具有极广阔的应用前景。
[0003]三维打印(3D打印)是一种通过逐点、逐行或逐层增材方式构筑材料的方法，在几何形状、微观结构以及性能设计上具有很大的灵活度。与传统方法相比，其最大的特点是可以获得高度复杂、精确的微格点阵。对于高分子材料而言，脱离模具来成型指定几何形状、指定厚度的一层材料需要打印设备与材料的成型特点相互配合才能完成。通常情况下，能脱离模具成型特定几何形状和特定厚度的材料，需要在一定的外界刺激下，如紫外光、热等，实现快速固化成型。也可以利用材料自身的流变属性保持形状，从而实现3D打印成型的目的。目前比较常见的3D打印技术包括：围绕光固化材料而进行的光固化打印、围绕热塑性材料而进行的热熔沉积式打印，以及对材料种类不敏感但需要材料满足一定流变性质的墨水直写打印方式。
[0004]墨水直写技术是一种挤出式的3D打印技术，将打印头的运动路径与材料的挤出相配合即可完成单一片层的打印。就3D打印而言，对材料的基本要求之一就是能保持住形状。热塑性材料在熔融挤出后冷却能快速固化，因而能保持形状。另外，这些打印墨水多为凝胶状态，挤出丝之间可以形成良好的融合。所以，该技术的应用关键在于打印所用的墨水的设计与制备。
[0005]现有的墨水直写技术所用的墨水大多为有机物成分，成本相对较高，且有机物成分的使用会对环境有害。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于获得一种用于3D打印的蒙脱石纳米片墨水及其制备方法和基于其的吸附材料和应用，结合3D打印技术设计吸附材料结构，利用蒙脱石纳米片层结构比表面积大、吸附性强等特性，制备的高性能吸附剂，可用于废水处理领域。该制备方法简单，原料来源广泛，成本低廉，有利于大规模生产应用。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0008]本专利技术公开了一种用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水，该墨水是由交联的蒙脱石纳米片形成的凝胶；其原料以质量百分比计，由3.2％～8.3％的蒙脱石，86.8～96.3％的水，以及2.8％～5.9％的交联剂组成。
[0009]优选地，所用蒙脱石的微观形貌为纳米二维片层结构，片层厚度为3～12nm。
[0010]优选地，所述交联剂采用海藻酸钠、壳聚糖和聚乙烯醇中的一种或几种。
[0011]本专利技术还公开了上述的用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水的制备方法，包括：
[0012]将蒙脱石加入水中，充分搅拌，得到悬浮液，将悬浮液离心处理，取上清液；向上清液中加入交联剂继续搅拌，制得用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水。
[0013]优选地，离心处理的转速为2000～5000r/min，处理时间为5～30min。
[0014]本专利技术还公开了一种吸附材料，由上述的用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水添加助凝剂，通过3D打印设备成型制成。
[0015]优选地，所述助凝剂采用氯化钙。
[0016]本专利技术还公开了上述的吸附材料的制备方法，将所述用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水注入3D打印设备中，挤出成型后浸泡于质量浓度为2％的氯化钙溶液中10～15min，然后冷冻干燥24h，制得水凝胶块体，即吸附材料。
[0017]本专利技术还公开了上述的吸附材料的应用，该吸附材料能够吸附水中的染料和重金属离子。
[0018]优选地，对染料的吸附能力为210.6～598.3mg g
‑1，对重金属离子吸附能力为52.3～189.2mg g
‑1。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]本专利技术公开的蒙脱石纳米片凝胶墨水，墨水主要成分有蒙脱石、交联剂和水，蒙脱石剥离形成纳米片后提高了比表面积、且层间所含离子有助于通过离子交换机制进行吸附。蒙脱石是一种储量丰富的天然矿物，通过引入无机矿物材料，配合生物质交联剂，可以有效降低墨水的成本，用以制备绿色环保的吸附剂，有望实现大规模应用。采用这种墨水通过3D打印获得的材料可作为吸附、过滤材料用于废水处理领域，同时结合3D打印技术制备的材料，充分利用蒙脱石二维材料的优势、以及3D打印技术对材料结构的设计，可规模化制备高效废水处理吸附剂、过滤材料，过滤可通过3D打印不同微孔结构实现。
[0021]本专利技术所采用的吸附材料的制备方法为3D打印法，3D打印获得的吸附材料在微观上是由蒙脱石纳米片构筑的多孔结构，宏观上为毫米孔组成的网格结构，本专利技术利用3D打印技术的设计性强、量化生产等优势，结合蒙脱石纳米片凝胶墨水性能稳定的优势，有望实现大规模应用。且与传统的吸附剂制备方法相比，3D打印技术的可设计性更强，通过对打印样品的结构设计可以制备性能更优异的吸附剂，制备流程更为简便。
附图说明
[0022]图1为本专利技术中蒙脱石纳米片构筑的吸附材料的SEM图；其中，(a)为蒙脱石纳米片构筑的吸附剂的SEM图；(b)为剥离后的蒙脱石纳米片SEM图。
[0023]图2为本专利技术用3D打印制备出吸附材料的宏观形貌。
具体实施方式
[0024]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0025]需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水，其特征在于，该墨水是由交联的蒙脱石纳米片形成的凝胶；其原料以质量百分比计，由3.2％～8.3％的蒙脱石，86.8～96.3％的水，以及2.8％～5.9％的交联剂组成。2.根据权利要求1所述的用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水，其特征在于，所用蒙脱石的微观形貌为纳米二维片层结构，片层厚度为3～12nm。3.根据权利要求1所述的用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水，其特征在于，所述交联剂采用海藻酸钠、壳聚糖和聚乙烯醇中的一种或几种。4.权利要求1～3中任意一项所述的用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水的制备方法，其特征在于，包括：将蒙脱石加入水中，充分搅拌，得到悬浮液，将悬浮液离心处理，取上清液；向上清液中加入交联剂继续搅拌，制得用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水。5.根据权利要求4所述的用于3D打印的蒙脱石纳米片凝胶墨水的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红洁，张子钧，彭康，牛敏，郭鹏飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：