中国3D打印网4月19日讯：增材制造（3D打印）的理念始于19世纪末，但直到20世纪80年代，在数字技术的带动下，3D打印技术才得以真正意义上的发展和应用 [ 1-2]。与传统的等材、减材制造方式不同，3D打印技术以数字模型为基础，将材料在三维方向上采用逐点、逐线或逐层堆积的方法进行成型 [3]。这种基于离散-堆积原理的新型成型技术，具有节约材料、操作灵活等特点，在复杂结构及一体化成型等方面已形成了独特的优势 [ 4-5]。美国、德国、英国、俄罗斯、日本等国家均制定大力发展3D打印的国家战略和规划，甚至将其誉为推动“第三次工业革命”实现的重大标志之一 [ 6-7]。进入21世纪以来，随着计算机、光学工程、机械和化学等学科的发展，3D打印技术不断取得突破，在医疗、机械、化工、建筑、航空航天等领域得到了广泛应用 [ 8-9]。
以高性能膜材料为核心的膜分离技术，已成为解决水资源、能源、环境等重大问题的关键共性支撑技术 [10]。高性能膜材料的研究与应用一直是膜领域的学术前沿和行业热点。近年来，3D打印技术在高性能膜材料领域，得到了越来越广泛的关注 [ 11-13]。Chowdhury等 [14]提出采用3D打印技术代替传统的界面聚合法来制备聚酰胺反渗透膜，其膜厚和表面粗糙度可分别低至15 nm和2 nm，仅为传统膜材料的1/10左右。同时，与商品化的反渗透膜相比，3D打印聚酰胺膜的脱盐率和渗透通量均得到显著提升。Yuan等 [15]提出采用选择性激光烧结3D打印的方式快速制备多孔聚酰亚胺膜，其具有表面疏水和水下超疏油的特性，在重力作用下即可实现油水混合物的快速分离，油水分离效率高达99.1%。Al-Shimmery等 [16]通过3D打印的方式制备了具有波纹状表面形貌的聚醚砜复合超滤膜。与常规平板式膜相比，3D打印复合膜的抗污染性能显著提升，通量恢复率可以提高52%以上。3D打印技术在新型膜材料制备、膜性能提升和膜过程强化方面展现了突出的应用潜力，已有相关文献对3D打印技术在有机膜材料的制备和应用方面进行了梳理和总结 [ 17-18]。
陶瓷膜具有渗透通量高、机械强度大、耐高温、耐酸碱、耐有机溶剂等特点，是化工、能源、冶金等过程工业的理想分离材料之一 [19]。陶瓷膜材料的制备方法主要有固态粒子烧结法、溶胶-凝胶法、流延成型法、挤出成型法等，所制备的陶瓷膜构型以管式和平板状为主，相对还比较单一 [20]。鉴于3D打印在复杂结构及一体化成型等方面的独特优势，将其应用于陶瓷膜材料的研究也备受关注。然而，与高分子和金属材料相比，陶瓷材料的3D打印技术起步相对较晚，直到20世纪90年代才被报道 [21]。陶瓷材料的熔点较高，难以直接通过熔化/熔融的方式进行直接3D打印，通常需要借助高分子的黏合作用对陶瓷粉末进行辅助成型 [21]。成型后的陶瓷坯体还需要经过煅烧将有机物脱除，并在更高的温度下将陶瓷粒子烧结，从而获得足够的强度 [22]。此外，还可以采用陶瓷前体作为3D打印原料，经3D打印成型的坯体进一步通过煅烧将前体转变为陶瓷材料 [23]。近年来，随着立体光固化、数字光处理、浆料直写等陶瓷3D打印技术的不断发展，3D打印在多孔陶瓷以及结构功能一体化陶瓷制备领域展现了独特优势 [ 24-25]。基于3D打印的高性能陶瓷膜的研究逐渐增多 [26]，因此，本文对3D打印陶瓷膜的制备方法、性能强化等方面的研究进展进行综述，并对陶瓷膜3D打印技术的难点及前景进行分析。
图1 3D打印多孔陶瓷材料的不同孔道调控方法 Fig.1 Different pore adjusting methods of 3D printing porous ceramics
结论与展望
3D打印在陶瓷膜材料制备研究中得到了广泛关注，但相关研发工作还处于早期阶段，仍面临着打印精度、效率、成本等诸多方面的不足，尚不具备与挤出法、流延法、干压法等相比的竞争优势，其产业化应用任重而道远。但是，随着陶瓷3D打印技术、设备以及陶瓷打印材料的不断发展和丰富，陶瓷膜3D打印技术通过复杂构型的设计，在提升陶瓷膜装填密度、强化陶瓷膜抗污染性能、赋予陶瓷膜新功能，以及在包含陶瓷膜分离单元的小型器件的一体化成型等方面展现出了良好的发展潜力。此外，鉴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潜在优势，其应用场合应更多关注于化工、生物、医药、电子、能源等过程工业中物料的精密分离，而非目前市场竞争较为激烈的水处理领域。从短期来看，陶瓷膜3D打印技术所面临的挑战主要集中两个方面，一是开发面向不同应用需求的陶瓷膜专用3D打印材料，二是开发低成本、高精度、大尺寸、高效率的3D打印设备，解决陶瓷膜3D打印技术放大的问题；从长期来看，陶瓷膜3D打印技术的挑战在于与其他技术的交叉融合，以及陶瓷膜应用领域拓展这两个方面。总体来说，3D打印技术是陶瓷膜众多制备技术的一种补充而非代替，其与传统的材料加工技术以及互联网、大数据、人工智能等新一代信息技术之间的耦合融通发展，需要学术界和产业界对其辩证思考和实践。
（本刊有删节）详情见南京工业大学化工学院官网
