地质聚合物（GPs）是一种无机聚合物材料，其特征是独特的三维Si-Al网络结构（Davidovits, 2008）。由于其低碳足迹（Duxson et al., 2007）、易于生产以及能够掺入固体废物（Gon?alves et al., 2024），GPs在过去几十年中在建筑（Zhong and Zhang, 2023）和水处理（Franchin et al., 2020）等领域变得非常具有吸引力，其应用潜力得到了逐步验证。此外，制造多孔结构可以优化其在这些领域的应用，例如隔音（Chen et al., 2022）、隔热（Pantongsuk et al., 2021）、催化（Cilla et al., 2017）和吸附（Liang et al., 2022）等。
在这些应用中，利用GPs作为水污染物修复的吸附剂引起了广泛关注，使它们成为传统吸附剂（如沸石）的有希望的替代品（Ettahiri et al., 2023）。这种吸引力源于它们的内在优势，包括可调的表面化学性质（Bai et al., 2026）、优异的机械和化学稳定性（Zaland et al., 2026），以及能够在稳定的铝硅酸盐网络中固定有害离子的能力（Liang et al., 2022）。然而，致密GP单块的吸附性能往往受到内部活性位点可及性差的限制，导致吸附能力不佳（Ma et al., 2023c）。因此，在GPs中设计出发达的孔隙结构对于充分发挥其作为高性能吸附剂的潜力至关重要，因为这直接决定了可用结合位点的密度和污染物进入GP基体的动力学（Zhang et al., 2022a）。已经采用了多种技术来制备多孔GP结构，包括直接发泡（Zhang et al., 2022a）、牺牲模板法（Bai and Colombo, 2018; Medpelli et al., 2014）、轻质填料法（Shao et al., 2015）和增材制造（Jin et al., 2022）。通过优化发泡方法和工艺参数，可以制备出各种孔隙结构。
直接发泡通常用于在水泥基材料中引入孔隙（Fan et al., 2025）。将传统的发泡方法与增材制造相结合可以实现层次孔隙（Huo et al., 2023; Visser et al., 2019），包括单个纤维内的孔隙和纤维之间的人工设计孔隙（Román-Manso et al., 2021）。这可以显著提高可实现的多孔结构范围（Muth et al., 2017），从而赋予GPs更强的吸附能力和新的功能。
目前关于基于GP的吸附剂的增材制造研究主要集中在密集浆料的直接墨水书写（DIW）上，这些方法依赖于结构设计来增加几何表面积（Gon?alves et al., 2024; Franchin et al., 2020; Jin et al., 2022）。然而，这些方法由于材料致密化而固有地受到质量扩散的限制，并且通常需要在结构复杂性和机械强度之间进行权衡。尽管有一些尝试将发泡技术用于孔隙形成，但大多数研究仍处于探索阶段（Ma et al., 2023c），缺乏对打印过程中气泡演变和稳定性控制的深入机制理解。
研究人员探索了通过物理发泡在GP墨水中引入孔隙的方法。例如，通过使用大量表面活性剂和高速搅拌，已经制备出了具有内部孔隙的GP纤维（Ma et al., 2023c）和大规模的GP纤维（Alghamdi and Neithalath, 2019）。鉴于水泥和GP相似的硬化行为，Liu等人将预先制备好的泡沫整合到混凝土中，然后打印出了泡沫混凝土（Liu et al., 2021; Liu et al., 2022）。然而，化学发泡主要依赖于发泡剂在浆料中的反应生成气体，生成的气泡在形成孔隙之前会经历复杂的演变过程（Zhang et al., 2022b）。Zoude等人（Zoude et al., 2023）和Lori等人（Lori et al., 2025）将化学发泡与直接墨水书写相结合，打印出了具有内部孔隙的不同结构。Zandifaez等人（Zandifaez et al., 2024）使用化学发泡和粉煤灰微球打印出了密度为470 kg/m3的水泥基复合材料。
尽管初步研究已经探索了含有气泡的墨水的增材制造，但现有文献大多在混合过程中采用物理或化学发泡，主要关注通过添加添加剂来调整流变学和气泡特性以改善可打印性（Zhang and Sanjayan, 2024; Markin et al., 2021）。这种关注往往以牺牲精确的孔隙结构控制为代价，或者忽略了挤压过程中气泡的稳定性。因此，报道的纤维通常表现出孔隙发育不足或可打印性不一致的问题。同时实现良好的可打印性和发达的纤维孔隙结构仍然具有挑战性。
化学发泡和物理发泡墨水的挤压过程相似；然而，化学发泡系统中的连续气泡演变使墨水制备变得复杂。即使在发泡过程中出现轻微的干扰，也可能显著影响孔隙结构（Zhang et al., 2024）。尽管Lori等人（Lori et al., 2025）探索了使用3D打印的化学发泡GP用于建筑应用，但他们的工作主要报道了针对特定功能（如热/声绝缘）的基本配方开发，而没有系统地关联打印参数、孔隙结构和可打印性。同样，Zoude等人（Zoude et al., 2023）仅提出了使用铝粉作为发泡剂的3D打印GP泡沫的案例研究。其他研究人员，如Zandifaez等人（Zandifaez et al., 2024），引入了轻质填料以降低打印化学发泡混凝土的密度，但没有彻底研究工艺参数的影响。因此，可以得出结论，迄今为止关于将发泡过程与GP墨水系统中的增材制造相结合的研究主要呈现了个别配方或案例研究，对墨水发泡与增材制造之间相互作用的全面理解仍然不足。在本研究中，选择了化学发泡系统作为研究对象，以系统地阐明打印过程中的气泡演变机制及其影响因素。
将DIW与化学发泡结合存在多个挑战，最关键的点是：第一个挑战是有效形成气泡所需的低屈服应力（<100 Pa）（Bai et al., 2016; Zhang et al., 2023a, Zhang et al., 2023b）与结构打印所需的高屈服应力（>103 Pa）之间的冲突（Ma et al., 2023a），这不可避免地影响了孔隙的发展（Zhang et al., 2023a）。第二个挑战是必要的挤压压力会对气泡产生高剪切力，导致气泡变形和合并，从而不利地影响孔隙形态（Liu et al., 2023）。第三个挑战是打印后的快速流变恢复，阻止了界面松弛机制（例如Marangoni效应）稳定和规范气泡结构，导致孔隙不规则。
至关重要的是，打印参数、气泡行为和孔隙结构之间的相互关系尚未得到系统阐明，从而无法实现对孔隙率、孔隙形态和连通性的协同控制。因此，揭示流变学、气泡动力学和可打印性之间的相互作用对于实现层次多孔GP基吸附剂的定制化制造至关重要。
本研究建立了一个机制框架，通过阐明打印参数、气泡稳定性和孔隙结构之间的关系，阐明了化学发泡GP墨水在DIW中的气泡介导的可打印性。主要目标是实现对可打印性和孔隙结构的协同控制，以制造层次多孔的GP吸附剂。这涉及系统地研究关键打印参数（包括起始时间、挤压速度和喷嘴直径）对可打印性和孔隙保留的影响，同时分析过程中的流变学演变和气泡动力学，以确定稳定性阈值。随后，使用MnO?、膨润土、黄原胶和PMMA模板等添加剂优化墨水配方，以提高可打印性并调整层次孔隙率，而挤压过程中的压力分布数值模拟验证了所提出的机制。最后，评估了打印结构的吸附性能，作为功能概念验证，证明了工程化孔隙结构如何比传统固体纤维具有更好的吸附性能。
