噴墨打印微液滴在模板化硅納米絲制備仿生節(jié)能空氣過(guò)濾器中的應(yīng)用
空氣污染對(duì)人類(lèi)健康的威脅日益增加，因此過(guò)濾器在空氣凈化應(yīng)用中的作用備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)過(guò)濾器的濾清效率與壓降之間存在著權(quán)衡關(guān)系，導(dǎo)致能源浪費(fèi)。因此，如何制造高效且節(jié)能的過(guò)濾器成為了當(dāng)前研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問(wèn)題。近日，華南理工大學(xué)唐敏老師課題組周志強(qiáng)在Advanced Materials上發(fā)表了影響因子27.4的高分論文，研究通過(guò)仿生學(xué)的方法，基于化學(xué)氣相沉積法制備了一種類(lèi)似于植物毛發(fā)的三維模板硅納米絲（平均直徑約為74nm）的生物仿生（TLB）空氣過(guò)濾器，并借助MicroFab Inkjet噴墨打印技術(shù)，使用MicroFab皮升級(jí)微液滴發(fā)生系統(tǒng)控制生成尺寸約50μm的微液滴進(jìn)行沖擊測(cè)試，驗(yàn)證TLB空氣過(guò)濾器的超疏水性。TLB空氣過(guò)濾介質(zhì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗水滴沖擊能力，從而減少了傳染性液滴對(duì)過(guò)濾介質(zhì)表面的污染。
1 正文
夏天剛過(guò)，新冠卻又有“抬頭”的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了工作生活和身體免疫力。家有老人小孩的更需要注意預(yù)防感染，口罩和空氣凈化器是家庭預(yù)防病毒傳播的重要措施，然而，傳統(tǒng)過(guò)濾器的濾清效率與壓降之間存在著權(quán)衡關(guān)系，這導(dǎo)致了能源浪費(fèi)。本研究將商業(yè)過(guò)濾介質(zhì)和過(guò)濾器一步到位直接轉(zhuǎn)化為T(mén)LB空氣過(guò)濾器制備了一種三維模板硅納米絲（平均直徑約為74nm）的生物仿生（TLB）空氣過(guò)濾器，可選擇的過(guò)濾級(jí)別（高達(dá)U15，約為99.9995％）使其能夠滿足各種要求，并且其整體過(guò)濾性能超過(guò)了大多數(shù)商業(yè)空氣過(guò)濾器，包括熔噴布、ePTFE膜、電紡網(wǎng)和玻璃纖維紙。研究人員還制造了可重復(fù)使用的N95呼吸器和空氣凈化器，這些設(shè)備配備了TLB空氣過(guò)濾器，克服了現(xiàn)有過(guò)濾器設(shè)計(jì)和制造方法的局限性。
2 結(jié)語(yǔ)
本研究基于一種簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的原位CVD方法，開(kāi)發(fā)了具有3D模板化硅納米絲(平均直徑≈74nm)的TLB空氣過(guò)濾器，并根據(jù)噴墨打印原理，通過(guò)MicroFab噴墨打印技術(shù)，驗(yàn)證了TLB空氣過(guò)濾器的疏水性。理論建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)在模板基板上創(chuàng)新性組裝三維分層納米結(jié)構(gòu)為過(guò)濾器提供了明顯的滑移效應(yīng)，可以被動(dòng)捕獲空氣污染物，克服了壓降和過(guò)濾效率之間的權(quán)衡。同時(shí)可選過(guò)濾等級(jí)(高達(dá)U15，≈99.9995%)滿足了各種應(yīng)用的需求，其整體過(guò)濾性能超過(guò)了廣泛使用的商品空氣過(guò)濾介質(zhì)（如靜電紡墊、ePTFE膜、玻璃纖維紙和熔噴布等）。此外，研究人員還制造了可重復(fù)使用的N95呼吸器和空氣凈化器，這些設(shè)備配備了TLB空氣過(guò)濾器，顯示出更好的空氣凈化能力，克服了現(xiàn)有過(guò)濾器設(shè)計(jì)和制造方法的局限性。
參考文獻(xiàn)：
[1] Zhou Z, You T, Pan Z, et al. Trichome‐Like Biomimetic Air Filters via Templated Silicone Nanofilaments[J]. Advanced Materials, 2024: 2311129.
[2] Zhou Z, Wang D, Pan Z, et al. Bioinspired Structures Made of Silicone Nanofilaments for Upcycling Waste Masks to Reusable N95 Respirators[J]. Nano Letters, 2024, 24(15): 4415-4422.
1 正文
夏天剛過(guò)，新冠卻又有“抬頭”的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了工作生活和身體免疫力。家有老人小孩的更需要注意預(yù)防感染，口罩和空氣凈化器是家庭預(yù)防病毒傳播的重要措施，然而，傳統(tǒng)過(guò)濾器的濾清效率與壓降之間存在著權(quán)衡關(guān)系，這導(dǎo)致了能源浪費(fèi)。本研究將商業(yè)過(guò)濾介質(zhì)和過(guò)濾器一步到位直接轉(zhuǎn)化為T(mén)LB空氣過(guò)濾器制備了一種三維模板硅納米絲（平均直徑約為74nm）的生物仿生（TLB）空氣過(guò)濾器，可選擇的過(guò)濾級(jí)別（高達(dá)U15，約為99.9995％）使其能夠滿足各種要求，并且其整體過(guò)濾性能超過(guò)了大多數(shù)商業(yè)空氣過(guò)濾器，包括熔噴布、ePTFE膜、電紡網(wǎng)和玻璃纖維紙。研究人員還制造了可重復(fù)使用的N95呼吸器和空氣凈化器，這些設(shè)備配備了TLB空氣過(guò)濾器，克服了現(xiàn)有過(guò)濾器設(shè)計(jì)和制造方法的局限性。
▲ 圖1 TLB空氣過(guò)濾器的仿生設(shè)計(jì)及主要特點(diǎn)
如圖1，受仙人掌的仿生概念啟發(fā)進(jìn)行了本研究過(guò)濾器的設(shè)計(jì)：以三氯甲基硅烷（TCMS）為原料，商用玻璃纖維過(guò)濾介質(zhì)和過(guò)濾器作為模板基板通過(guò)簡(jiǎn)單的CVD方法制備了3d模板化硅納米絲的TLB空氣過(guò)濾器。垂直于玻璃纖維方向的3d模板硅納米絲的毛狀分層結(jié)構(gòu)，硅納米絲的平均直徑和長(zhǎng)度分別為≈74nm和大于10μm，以隨機(jī)彎曲、鉤狀和纏結(jié)的方式展示。▲ 圖2 TLB空氣過(guò)濾器過(guò)濾等級(jí)可隨TCMS濃度變化調(diào)節(jié)，過(guò)濾壽命長(zhǎng)
通過(guò)改變TCMS的反應(yīng)濃度（0.2、0.4和0.8 mmol L-1）來(lái)控制模板硅納米絲在玻璃纖維過(guò)濾介質(zhì)表面的生長(zhǎng)，設(shè)計(jì)了超過(guò)五種過(guò)濾類(lèi)型，發(fā)現(xiàn)隨著TCMS反應(yīng)濃度的增加，硅納米絲的數(shù)量和長(zhǎng)度逐漸增加，納米纖維結(jié)構(gòu)可控。使用BET模型評(píng)估，TLB空氣過(guò)濾器的孔隙率（超過(guò)95%）與原始玻璃纖維過(guò)濾介質(zhì)相當(dāng)，超過(guò)了大多數(shù)納米纖維過(guò)濾介質(zhì)，有助于其提高過(guò)濾性能。▲ 圖3 TLB空氣過(guò)濾器的過(guò)濾機(jī)理
在相同的過(guò)濾等級(jí)（E11級(jí)）下，與其他過(guò)濾介質(zhì)相比，TLB空氣過(guò)濾器表現(xiàn)出更開(kāi)放的孔隙結(jié)構(gòu)，可容納更多的粉塵顆粒，同時(shí)能夠利用滑動(dòng)效應(yīng)被動(dòng)捕獲空氣污染物，減少氣流阻力，克服了壓降與過(guò)濾效率之間的權(quán)衡，提高了過(guò)濾器的使用壽命。當(dāng)使用原始過(guò)濾器凈化空氣時(shí)，室內(nèi)PM2.5濃度下降緩慢，在80min后達(dá)到5μg m-3以下。相比之下，TLB空氣過(guò)濾器表現(xiàn)出更好的空氣凈化能力，室內(nèi)PM2.5濃度在50min內(nèi)降至5μg m-3以下，表明其具有良好的商業(yè)應(yīng)用前景。▲ 圖4 TLB空氣過(guò)濾器的應(yīng)用
除了出色的過(guò)濾性能外，TLB空氣過(guò)濾介質(zhì)還具有超疏水性（表觀接觸角＞150°），可以阻擋富含水的感染性氣溶膠，并提高其在高濕操作環(huán)境中的耐久性：根據(jù)噴墨打印原理，使用MicroFab皮升級(jí)微液滴發(fā)生系統(tǒng)控制生成尺寸約50μm的微液滴對(duì)過(guò)濾介質(zhì)表面進(jìn)行沖擊測(cè)試，發(fā)現(xiàn)TLB空氣過(guò)濾介質(zhì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗水滴沖擊性，這可能歸因于硅納米絲的高表面粗糙度和疏水性。因此，高性能、可加工且工藝簡(jiǎn)化的TLB空氣過(guò)濾介質(zhì)有望成為各種空氣凈化應(yīng)用的過(guò)濾單元，實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用。 ▲ 視頻 使用MicroFab的皮升級(jí)微液滴發(fā)生系統(tǒng)控制生成尺寸約50μm的微液滴對(duì)過(guò)濾介質(zhì)表面進(jìn)行沖擊測(cè)試
2 結(jié)語(yǔ)
本研究基于一種簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的原位CVD方法，開(kāi)發(fā)了具有3D模板化硅納米絲(平均直徑≈74nm)的TLB空氣過(guò)濾器，并根據(jù)噴墨打印原理，通過(guò)MicroFab噴墨打印技術(shù)，驗(yàn)證了TLB空氣過(guò)濾器的疏水性。理論建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)在模板基板上創(chuàng)新性組裝三維分層納米結(jié)構(gòu)為過(guò)濾器提供了明顯的滑移效應(yīng)，可以被動(dòng)捕獲空氣污染物，克服了壓降和過(guò)濾效率之間的權(quán)衡。同時(shí)可選過(guò)濾等級(jí)(高達(dá)U15，≈99.9995%)滿足了各種應(yīng)用的需求，其整體過(guò)濾性能超過(guò)了廣泛使用的商品空氣過(guò)濾介質(zhì)（如靜電紡墊、ePTFE膜、玻璃纖維紙和熔噴布等）。此外，研究人員還制造了可重復(fù)使用的N95呼吸器和空氣凈化器，這些設(shè)備配備了TLB空氣過(guò)濾器，顯示出更好的空氣凈化能力，克服了現(xiàn)有過(guò)濾器設(shè)計(jì)和制造方法的局限性。
參考文獻(xiàn)：
[1] Zhou Z, You T, Pan Z, et al. Trichome‐Like Biomimetic Air Filters via Templated Silicone Nanofilaments[J]. Advanced Materials, 2024: 2311129.
[2] Zhou Z, Wang D, Pan Z, et al. Bioinspired Structures Made of Silicone Nanofilaments for Upcycling Waste Masks to Reusable N95 Respirators[J]. Nano Letters, 2024, 24(15): 4415-4422.
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