中國3D打印網4月19日訊：增材制造（3D打?。┑睦砟钍加?9世紀末，但直到20世紀80年代，在數字技術的帶動下，3D打印技術才得以真正意義上的發展和應用 [ 1-2]。與傳統的等材、減材制造方式不同，3D打印技術以數字模型為基礎，將材料在三維方向上采用逐點、逐線或逐層堆積的方法進行成型 [3]。這種基于離散-堆積原理的新型成型技術，具有節約材料、操作靈活等特點，在復雜結構及一體化成型等方面已形成了獨特的優勢 [ 4-5]。美國、德國、英國、俄羅斯、日本等國家均制定大力發展3D打印的國家戰略和規劃，甚至將其譽為推動“第三次工業革命”實現的重大標志之一 [ 6-7]。進入21世紀以來，隨著計算機、光學工程、機械和化學等學科的發展，3D打印技術不斷取得突破，在醫療、機械、化工、建筑、航空航天等領域得到了廣泛應用 [ 8-9]。

以高性能膜材料為核心的膜分離技術，已成為解決水資源、能源、環境等重大問題的關鍵共性支撐技術 [10]。高性能膜材料的研究與應用一直是膜領域的學術前沿和行業熱點。近年來，3D打印技術在高性能膜材料領域，得到了越來越廣泛的關注 [ 11-13]。Chowdhury等 [14]提出采用3D打印技術代替傳統的界面聚合法來制備聚酰胺反滲透膜，其膜厚和表面粗糙度可分別低至15 nm和2 nm，僅為傳統膜材料的1/10左右。同時，與商品化的反滲透膜相比，3D打印聚酰胺膜的脫鹽率和滲透通量均得到顯著提升。Yuan等 [15]提出采用選擇性激光燒結3D打印的方式快速制備多孔聚酰亞胺膜，其具有表面疏水和水下超疏油的特性，在重力作用下即可實現油水混合物的快速分離，油水分離效率高達99.1%。Al-Shimmery等 [16]通過3D打印的方式制備了具有波紋狀表面形貌的聚醚砜復合超濾膜。與常規平板式膜相比，3D打印復合膜的抗污染性能顯著提升，通量恢復率可以提高52%以上。3D打印技術在新型膜材料制備、膜性能提升和膜過程強化方面展現了突出的應用潛力，已有相關文獻對3D打印技術在有機膜材料的制備和應用方面進行了梳理和總結 [ 17-18]。

陶瓷膜具有滲透通量高、機械強度大、耐高溫、耐酸堿、耐有機溶劑等特點，是化工、能源、冶金等過程工業的理想分離材料之一 [19]。陶瓷膜材料的制備方法主要有固態粒子燒結法、溶膠-凝膠法、流延成型法、擠出成型法等，所制備的陶瓷膜構型以管式和平板狀為主，相對還比較單一 [20]。鑒于3D打印在復雜結構及一體化成型等方面的獨特優勢，將其應用于陶瓷膜材料的研究也備受關注。然而，與高分子和金屬材料相比，陶瓷材料的3D打印技術起步相對較晚，直到20世紀90年代才被報道 [21]。陶瓷材料的熔點較高，難以直接通過熔化/熔融的方式進行直接3D打印，通常需要借助高分子的黏合作用對陶瓷粉末進行輔助成型 [21]。成型后的陶瓷坯體還需要經過煅燒將有機物脫除，并在更高的溫度下將陶瓷粒子燒結，從而獲得足夠的強度 [22]。此外，還可以采用陶瓷前體作為3D打印原料，經3D打印成型的坯體進一步通過煅燒將前體轉變為陶瓷材料 [23]。近年來，隨著立體光固化、數字光處理、漿料直寫等陶瓷3D打印技術的不斷發展，3D打印在多孔陶瓷以及結構功能一體化陶瓷制備領域展現了獨特優勢 [ 24-25]?；?D打印的高性能陶瓷膜的研究逐漸增多 [26]，因此，本文對3D打印陶瓷膜的制備方法、性能強化等方面的研究進展進行綜述，并對陶瓷膜3D打印技術的難點及前景進行分析。

圖1 3D打印多孔陶瓷材料的不同孔道調控方法 Fig.1 Different pore adjusting methods of 3D printing porous ceramics

結論與展望

3D打印在陶瓷膜材料制備研究中得到了廣泛關注，但相關研發工作還處于早期階段，仍面臨著打印精度、效率、成本等諸多方面的不足，尚不具備與擠出法、流延法、干壓法等相比的競爭優勢，其產業化應用任重而道遠。但是，隨著陶瓷3D打印技術、設備以及陶瓷打印材料的不斷發展和豐富，陶瓷膜3D打印技術通過復雜構型的設計，在提升陶瓷膜裝填密度、強化陶瓷膜抗污染性能、賦予陶瓷膜新功能，以及在包含陶瓷膜分離單元的小型器件的一體化成型等方面展現出了良好的發展潛力。此外，鑒于陶瓷材料的固有特性以及3D打印陶瓷膜在集成度、抗污染性能等方面的潛在優勢，其應用場合應更多關注于化工、生物、醫藥、電子、能源等過程工業中物料的精密分離，而非目前市場競爭較為激烈的水處理領域。從短期來看，陶瓷膜3D打印技術所面臨的挑戰主要集中兩個方面，一是開發面向不同應用需求的陶瓷膜專用3D打印材料，二是開發低成本、高精度、大尺寸、高效率的3D打印設備，解決陶瓷膜3D打印技術放大的問題；從長期來看，陶瓷膜3D打印技術的挑戰在于與其他技術的交叉融合，以及陶瓷膜應用領域拓展這兩個方面?？傮w來說，3D打印技術是陶瓷膜眾多制備技術的一種補充而非代替，其與傳統的材料加工技術以及互聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術之間的耦合融通發展，需要學術界和產業界對其辯證思考和實踐。

（本刊有刪節）詳情見南京工業大學化工學院官網