噴墨打印微液滴在模板化硅納米絲制備仿生節(jié)能空氣過濾器中的應用
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用中的作用備受關注。然而，傳統(tǒng)過濾器的濾清效率與壓降之間存在著權衡關系，導致能源浪費。因此，如何制造高效且節(jié)能的過濾器成為了當前研究領域的一個重要問題。近日，華南理工大學唐敏老師課題組周志強在Advanced Materials上發(fā)表了影響因子27.4的高分論文，研究通過仿生學的方法，基于化學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，使用MicroFab皮升級微液滴發(fā)生系統(tǒng)控制生成尺寸約50μm的微液滴進行沖擊測試，驗證TLB空氣過濾器的超疏水性。TLB空氣過濾介質表現(xiàn)出較強的抗水滴沖擊能力，從而減少了傳染性液滴對過濾介質表面的污染。
1 正文
夏天剛過，新冠卻又有“抬頭”的趨勢，嚴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防感染，口罩和空氣凈化器是家庭預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衡關系，這導致了能源浪費。本研究將商業(yè)過濾介質和過濾器一步到位直接轉化為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使用的N95呼吸器和空氣凈化器，這些設備配備了TLB空氣過濾器，克服了現(xiàn)有過濾器設計和制造方法的局限性。
2 結語
本研究基于一種簡單且可擴展的原位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，驗證了TLB空氣過濾器的疏水性。理論建模和實驗結果表明，通過在模板基板上創(chuàng)新性組裝三維分層納米結構為過濾器提供了明顯的滑移效應，可以被動捕獲空氣污染物，克服了壓降和過濾效率之間的權衡。同時可選過濾等級(高達U15，≈99.9995%)滿足了各種應用的需求，其整體過濾性能超過了廣泛使用的商品空氣過濾介質（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使用的N95呼吸器和空氣凈化器，這些設備配備了TLB空氣過濾器，顯示出更好的空氣凈化能力，克服了現(xiàn)有過濾器設計和制造方法的局限性。
參考文獻：
[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，新冠卻又有“抬頭”的趨勢，嚴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防感染，口罩和空氣凈化器是家庭預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衡關系，這導致了能源浪費。本研究將商業(yè)過濾介質和過濾器一步到位直接轉化為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使用的N95呼吸器和空氣凈化器，這些設備配備了TLB空氣過濾器，克服了現(xiàn)有過濾器設計和制造方法的局限性。
▲ 圖1 TLB空氣過濾器的仿生設計及主要特點
如圖1，受仙人掌的仿生概念啟發(fā)進行了本研究過濾器的設計：以三氯甲基硅烷（TCMS）為原料，商用玻璃纖維過濾介質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構，硅納米絲的平均直徑和長度分別為≈74nm和大于10μm，以隨機彎曲、鉤狀和纏結的方式展示。▲ 圖2 TLB空氣過濾器過濾等級可隨TCMS濃度變化調節(jié)，過濾壽命長
通過改變TCMS的反應濃度（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表面的生長，設計了超過五種過濾類型，發(fā)現(xiàn)隨著TCMS反應濃度的增加，硅納米絲的數(shù)量和長度逐漸增加，納米纖維結構可控。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相當，超過了大多數(shù)納米纖維過濾介質，有助于其提高過濾性能。▲ 圖3 TLB空氣過濾器的過濾機理
在相同的過濾等級（E11級）下，與其他過濾介質相比，TLB空氣過濾器表現(xiàn)出更開放的孔隙結構，可容納更多的粉塵顆粒，同時能夠利用滑動效應被動捕獲空氣污染物，減少氣流阻力，克服了壓降與過濾效率之間的權衡，提高了過濾器的使用壽命。當使用原始過濾器凈化空氣時，室內PM2.5濃度下降緩慢，在80min后達到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PM2.5濃度在50min內降至5μg m-3以下，表明其具有良好的商業(yè)應用前景。▲ 圖4 TLB空氣過濾器的應用
除了出色的過濾性能外，TLB空氣過濾介質還具有超疏水性（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表面進行沖擊測試，發(fā)現(xiàn)TLB空氣過濾介質表現(xiàn)出較強的抗水滴沖擊性，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空氣過濾介質有望成為各種空氣凈化應用的過濾單元，實現(xiàn)反復使用。 ▲ 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表面進行沖擊測試
2 結語
本研究基于一種簡單且可擴展的原位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，驗證了TLB空氣過濾器的疏水性。理論建模和實驗結果表明，通過在模板基板上創(chuàng)新性組裝三維分層納米結構為過濾器提供了明顯的滑移效應，可以被動捕獲空氣污染物，克服了壓降和過濾效率之間的權衡。同時可選過濾等級(高達U15，≈99.9995%)滿足了各種應用的需求，其整體過濾性能超過了廣泛使用的商品空氣過濾介質（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使用的N95呼吸器和空氣凈化器，這些設備配備了TLB空氣過濾器，顯示出更好的空氣凈化能力，克服了現(xiàn)有過濾器設計和制造方法的局限性。
參考文獻：
[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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