空氣污染對人類健康的威脅日益增加，因此過濾器在空氣凈化應(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)能的過濾器成為了當(dāng)前研究領(lǐng)域的一個(gè)重要問題。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，研究通過仿生學(xué)的方法，基于化學(xué)氣相沉積法制備了一種類似于植物毛發(fā)的三維模板硅納米絲（平均直徑約為74nm）的生物仿生（TLB）空氣過濾器，并借助MicroFab Inkjet噴墨打印技術(shù)，使用MicroFab皮升級微液滴發(fā)生系統(tǒng)控制生成尺寸約50μm的微液滴進(jìn)行沖擊測試，驗(yàn)證TLB空氣過濾器的超疏水性。TLB空氣過濾介質(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過濾介質(zhì)表面的污染。
夏天剛過，新冠卻又有“抬頭”的趨勢，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)過濾介質(zhì)和過濾器一步到位直接轉(zhuǎn)化為TLB空氣過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）空氣過濾器，可選擇的過濾級別（高達(dá)U15，約為99.9995％）使其能夠滿足各種要求，并且其整體過濾性能超過了大多數(shù)商業(yè)空氣過濾器，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空氣過濾器，克服了現(xiàn)有過濾器設(shè)計(jì)和制造方法的局限性。
▲ 圖1 TLB空氣過濾器的仿生設(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，商用玻璃纖維過濾介質(zhì)和過濾器作為模板基板通過簡單的CVD方法制備了3d模板化硅納米絲的TLB空氣過濾器。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空氣過濾器過濾等級可隨TCMS濃度變化調(diào)節(jié)，過濾壽命長
通過改變TCMS的反應(yīng)濃度（0.2、0.4和0.8 mmol L-1 ）來控制模板硅納米絲在玻璃纖維過濾介質(zhì)表面的生長，設(shè)計(jì)了超過五種過濾類型，發(fā)現(xiàn)隨著TCMS反應(yīng)濃度的增加，硅納米絲的數(shù)量和長度逐漸增加，納米纖維結(jié)構(gòu)可控。使用BET模型評估，TLB空氣過濾器的孔隙率（超過95%）與原始玻璃纖維過濾介質(zhì)相當(dāng)，超過了大多數(shù)納米纖維過濾介質(zhì)，有助于其提高過濾性能。 ▲ 圖3 TLB空氣過濾器的過濾機(jī)理
在相同的過濾等級（E11級） 下，與其他過濾介質(zhì)相比，TLB空氣過濾器表現(xiàn)出更開放的孔隙結(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，克服了壓降與過濾效率之間的權(quán)衡，提高了過濾器的使用壽命。當(dāng)使用原始過濾器凈化空氣時(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空氣過濾器的應(yīng)用
除了出色的過濾性能外，TLB空氣過濾介質(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 皮升級微液滴發(fā)生系統(tǒng)控制生成尺寸約50μm的微液滴對過濾介質(zhì)表面進(jìn)行沖擊測試，發(fā)現(xiàn)TLB空氣過濾介質(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、可加工且工藝簡化的TLB空氣過濾介質(zhì)有望成為各種空氣凈化應(yīng)用的過濾單元，實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用。
▲ 視頻 使用MicroFab的皮升級微液滴發(fā)生系統(tǒng)控制生成尺寸約50μm的微液滴對過濾介質(zhì)表面進(jìn)行沖擊測試 本研究基于一種簡單且可擴(kuò)展的原位CVD方法，開發(fā)了具有3D模板化硅納米絲(平均直徑≈74nm)的TLB空氣過濾器，并根據(jù)噴墨打印原理，通過MicroFab噴墨打印技術(shù)，驗(yàn)證了TLB空氣過濾器的疏水性。理論建模和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過在模板基板上創(chuàng)新性組裝三維分層納米結(jié)構(gòu)為過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，克服了壓降和過濾效率之間的權(quán)衡。同時(shí)可選過濾等級(高達(dá)U15，≈99.9995%)滿足了各種應(yīng)用的需求，其整體過濾性能超過了廣泛使用的商品空氣過濾介質(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空氣過濾器，顯示出更好的空氣凈化能力，克服了現(xiàn)有過濾器設(shè)計(jì)和制造方法的局限性。
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上海睿度光電RUIDU是
美國MicroFab在中國地區(qū)的合作伙伴，
專注于納米材料沉積噴墨打印系統(tǒng)
和 涂層系統(tǒng)的定制化開發(fā)和生產(chǎn)，
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