Additive Manufacturing of Poly(phenylene Sulfide) Aerogels via Simultaneous Material Extrusion And Thermally‐Induced Phase Separation

材料科学 气凝胶 挤压 复合材料 聚合物 微观结构 差示扫描量热法 亚苯基 多孔性 相(物质) 扫描电子显微镜 化学工程 化学 物理 有机化学 工程类 热力学
作者
Garrett F. Godshall,Daniel A. Rau,Daniel A. Rau,Robert B. Moore
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adma.202307881
摘要

Additive manufacturing (AM) of aerogels increases the achievable geometric complexity, and affords fabrication of hierarchically porous structures. In this work, a custom heated material extrusion (MEX) device prints aerogels of poly(phenylene sulfide) (PPS), an engineering thermoplastic, via in situ thermally induced phase separation (TIPS). First, pre-prepared solid gel inks are dissolved at high temperatures in the heated extruder barrel to form a homogeneous polymer solution. Solutions are then extruded onto a room-temperature substrate, where printed roads maintain their bead shape and rapidly solidify via TIPS, thus enabling layer-wise MEX AM. Printed gels are converted to aerogels via postprocessing solvent exchange and freeze-drying. This work explores the effect of ink composition on printed aerogel morphology and thermomechanical properties. Scanning electron microscopy micrographs reveal complex hierarchical microstructures that are compositionally dependent. Printed aerogels demonstrate tailorable porosities (50.0-74.8%) and densities (0.345-0.684 g cm-3 ), which align well with cast aerogel analogs. Differential scanning calorimetry thermograms indicate printed aerogels are highly crystalline (≈43%), suggesting that printing does not inhibit the solidification process occurring during TIPS (polymer crystallization). Uniaxial compression testing reveals that compositionally dependent microstructure governs aerogel mechanical behavior, with compressive moduli ranging from 33.0 to 106.5 MPa.
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