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FDM 3D 打印技术在油水乳液分离填料制备中的应用

来源：杰呈3D打印发布时间：2025-09-19 11:05:42 浏览次数：0次

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FDM 3D打印技术具有快速的打印速度和可扩展的打印平台，非常适合非强度结构件的快速扩大生产。并且，FDM打印技术目前的打印精度可达50 μm以下，能够保证精细结构的准确制造。

在传统的分离行业中，填料是最常用的传质增强介质，它具有较高的比表面积，能够增强填料表面上的传质过程。最近的研究表明，通过3D打印技术对填料内部结构进行合适的设计和制备，能够有针对性地改善填料的应用性能。受到传统化工中填料分离塔的启发，我们开发了一种使用超疏水填料分离油水乳液的新方法，并且，借助3D打印技术，合理设计和优化填料的结构和尺寸，最终达到对油水乳液的高效、高通量分离。

3D打印超疏水填料装填在一段内径为25 mm的玻璃管中用于测试其在分离油水乳液中的表现。玻璃管的一端用20目的不锈钢筛网封装以支撑管内的填料，而在填料床之上，放置有一张20目的3D打印PLA筛板，用于分散入口处的局部压力，使倒入的油水乳液能够更均匀的进入填料柱内部。为了便于区分和观察分离前后油水两相的分布，我们分别使用油红O和亚甲基蓝对油相和水相进行染色。

自然界中多层级物质运输系统中获取灵感，采用三步法制备出孔径横跨6个数量级的多孔铜基催化剂，并成功应用于高效连续催化Friedl?nder环化反应中。

具体的，以铜粉和铁粉为原料，首先经过DIW 3D打印技术加工获得材料的宏观孔结构（“一级结构”）；然后以理论为指导，通过选择性合金 - 去合金过程，得到孔内壁富含铁元素的大孔结构（“二级结构”）；进一步，利用一步法直接在所得多孔铜金属表面原位生长MOF纳米晶体（“三级结构”），并通过理论分析阐述了MOF原位生长机理。相关研究成果可为多层级多孔金属的3D打印制备以及金属表面直接生长MOF提供理论基础和研究思路。

多孔金属具有双连续结构，其固体金属骨架与孔道在微、纳尺度上相互贯穿，在化学、医疗、储能等多领域有着广泛应用。尤其在催化领域中，多孔金属是一类十分理想的催化剂载体，近年来在热催化、光催化和电催化等方面展现出巨大的应用潜力。

相互贯通的孔结构提供了较大的比表面积和高密度的活性位点；同时，金属优良的导热性促进了热量在材料内部的均匀分布和传递。理论上为了获得更好的催化效果，催化剂的孔道应越小越密，以此来获得与反应物尽可能大的接触面积。

然而，具有窄孔径分布的小孔结构将引起极大的流通阻力和压力分布不均等问题，导致实际应用过程中底物并不能有效和活性位点接触，因而催化效率得不到显著提升。为了提高传输效率，自然界已经进化出大到河流、山川，小到血管、呼吸道、叶脉等尺寸分布跨越多个数量级的多层级运输通道来克服这些限制，确保了体系的平稳运行。

受到大自然的启发，具有多层级孔结构的催化剂能够提供从液相主体到催化剂孔内再到反应活性位点的多级传质、传热通路，有效减少传质、传热阻力，因而具有优异的催化表现。

对于金属材料而言，在传统制备过程中可通过引入造孔剂、模板剂或使用合金/脱合金等步骤实现造孔。但因此得到的孔通常孔径分布较窄，并且此种方式制备的多孔金属通常无法根据实际需求来对宏观结构进行有针对性的设计和加工。

与此同时，3D打印技术近期吸引了众多研究者们的关注，它能够精确地加工出一般难以制备的复杂结构。研究人员发现，通过理性结构设计加3D打印制备，能够得到在流体力学、传质及传热方面表现远超传统的新材料。

因此，本章中我们借鉴第二章中“增材”与“减材”相结合的思路，通过以下路线实现多层级多孔金属铜催化剂的制备：首先，以不同粒径的铜粉和铁粉为原料，使用粘结剂对其流变力学进行改性，得到适合3D打印的铜/铁浆料，进而通过3D打印得到具有毫米级别的木柴堆状生胚——“一级结构”；进一步经过合金/去合金步骤，得到微米级别的大孔结构——“二级结构”；最后，通过一步法原位生长HKUST - 1，在孔表面修饰一层MOF纳米晶体——“三级结构”，且HKUST - 1自身含有约0.9 nm的微孔结构。

拟采用铜粉和铁粉为原料，通过3D打印形成铜/铁合金，进而通过去合金的方式将铁元素刻蚀掉，形成多层级的多孔结构。然而，使用两种粒径尺寸相近的原料进行合金化烧结时，通常利于形成均一的合金相，在经过去合金之后会形成纳米尺寸的多孔结构。

尽管此种结构能够更大地增加比表面积，从而增强物质在孔内的传质效率，但会因此极大地增加体系的压降。尤其对于液相反应来说，在通过几百纳米尺度的微通道时，液体的流动阻力会高达1 MPa/m，非常不利于实际的操作。

因此，本章中为了能够顺利在微反应器中进行液 - 固催化反应，需要催化剂具有适量分布的大尺寸孔结构，故最终选用粒径比较大的铁粉和铜粉作为原料，铜粉的平均粒径为500 nm，铁粉的平均粒径为22.5 μm。

目前利用金属粉末进行3D打印成型的技术大部分基于激光烧结，其通过控制高能激光的书写路径，选择性的将行经的区域进行融化烧结，进而经过层层堆叠，实现三维物体的成型。

然而，金属铜对激光的吸收率低，因此激光难以持续熔化铜金属粉末，从而影响打印件的质量；另一方面，基于激光烧结的3D打印技术对金属粉体的粒径均一性要求较高，过宽的粒径分布不但会影响局部的能量吸收，还会影响局部烧结时金属内部的晶粒生长，从而影响最终的打印质量。

我们将采用一种新的金属3D打印技术——间接金属3D打印技术实现对铜/铁材料的制备。间接金属3D打印技术，是指首先通过对含有金属与高分子混合的材料进行打印成型，进而通过后续的煅烧，去除材料内部的有机质，得到纯金属样品的过程。该方法具有成本低廉、制造速度快、制造尺寸不受限制等诸多优势，近期倍受科学界和工业界的瞩目。