噴墨打印微液滴在模板化硅納米絲制備仿生節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皮升級微液滴發生系統控制生成尺寸約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商業空氣過濾器，包括熔噴布、ePTFE膜、電紡網和玻璃纖維紙。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商業空氣過濾器，包括熔噴布、ePTFE膜、電紡網和玻璃纖維紙。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，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，發現隨著TCMS反應濃度的增加，硅納米絲的數量和長度逐漸增加，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境中的耐久性：根據噴墨打印原理，使用MicroFab皮升級微液滴發生系統控制生成尺寸約50μm的微液滴對過濾介質表面進行沖擊測試，發現TLB空氣過濾介質表現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，實現反復使用。 ▲ 視頻 使用MicroFab的皮升級微液滴發生系統控制生成尺寸約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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