基于 3D 打印的仿生多孔吸濕體：實(shí)現(xiàn)快速除濕與高效再生的新途徑

來源：EFL生物3D打印與生物制造

在當(dāng)今社會(huì)，濕度控制在綠色建筑設(shè)計(jì)、設(shè)備保存、工業(yè)生產(chǎn)及室內(nèi)空氣質(zhì)量管控等領(lǐng)域至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的除濕方法存在諸多弊端。如常用的蒸汽壓縮系統(tǒng)，在壓縮氣態(tài)制冷劑時(shí)能耗巨大，為使潮濕空氣冷卻至露點(diǎn)以下以實(shí)現(xiàn)水汽凝結(jié)，需要較大的溫度梯度，這進(jìn)一步增加了能源消耗；并且在低溫、低濕度環(huán)境下，其性能會(huì)大幅下降，響應(yīng)速度遲緩，難以滿足快速除濕的需求。膜基除濕技術(shù)雖能耗低且無冷凝水產(chǎn)生，但受限于膜的滲透率、易受污染以及對(duì)驅(qū)動(dòng)力要求較高等因素，在高濕度或大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景中效果欠佳。  

在此背景下，上海交通大學(xué)王如竹教授團(tuán)隊(duì)開展合作研究。他們受到樹木分層多孔微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用直接墨水書寫3D打印技術(shù)，成功制備出具有垂直定向通道和堅(jiān)固結(jié)構(gòu)的仿生吸附劑整體材料。該材料具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，涵蓋毫米到微米尺度，能夠?qū)崿F(xiàn)快速吸水和便捷再生。相關(guān)工作以“Biomimetic Porous Hygroscopic Monolith with Vertically Aligned Channels by 3D Printing for Rapid Dehumidification and Regeneration”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上，為解決現(xiàn)有除濕技術(shù)的痛點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)高效濕度調(diào)控提供了新的方向和解決方案。 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所博士研究生陳芷薈為論文第一作者，王如竹教授為通訊作者。

研究?jī)?nèi)容
1. 墨水的流變性質(zhì)及CASN-Li整體材料的制備，通過制備不同$HF-SiO_{2}$質(zhì)量濃度的3D打印墨水，測(cè)試其黏度、模量隨剪切速率和振蕩應(yīng)變的變化，并采用掃描電子顯微鏡（SEM）、能量色散光譜（EDS）等方法，研究了墨水的可打印性及CASN-Li整體材料的制備和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，SA-2墨水具有良好的可打印性，制備的CASN-Li整體材料具有均勻的宏觀孔隙結(jié)構(gòu)和豐富的微觀孔隙，成分分布均勻，且具有較高的熱導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度。

圖1. 墨水的流變性質(zhì)及CASN-Li整體材料的制備。  

2. CASN-Li整體材料的表征，運(yùn)用SEM、X射線衍射儀（XRD）、傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）和動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）等手段，研究了CASN-Li整體材料的微觀形貌、物相組成、官能團(tuán)以及壓縮性能。結(jié)果顯示，材料表面粗糙且有裂紋狀微孔，存在BN等成分，含有豐富的含氧官能團(tuán)，具有良好的親水性，在脫水和水合狀態(tài)下都能承受較高的壓縮應(yīng)力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖2. CASN-Li整體材料的表征。  

3. 3D打印CASN-Li整體材料的吸濕性能，采用同時(shí)熱分析儀（STA）和恒溫恒濕箱，測(cè)量不同LiCl濃度、不同相對(duì)濕度（RH）下材料的動(dòng)態(tài)水吸附曲線，研究其吸濕性能，并與塊狀吸附劑和其他復(fù)合材料對(duì)比。結(jié)果表明，CASN-Li20在綜合考慮吸附和再生性能時(shí)表現(xiàn)較優(yōu)，材料吸濕速率和吸附量隨RH增加而增大，3D打印結(jié)構(gòu)使其吸濕動(dòng)力學(xué)性能優(yōu)于塊狀吸附劑和其他報(bào)道的復(fù)合材料。

圖3. 3D打印CASN-Li整體材料的吸濕性能。  

4. 3D打印CASN-Li整體材料的水分釋放性能及綜合性能評(píng)價(jià)，利用COMSOL軟件模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究不同空氣流速、加熱電壓下材料的水分釋放過程，并進(jìn)行循環(huán)穩(wěn)定性測(cè)試和材料特性對(duì)比。結(jié)果表明，在空氣流速2.0 m/s、加熱電壓11 V時(shí)，材料能快速釋放水分，25次循環(huán)測(cè)試中無泄漏和結(jié)構(gòu)損壞，且在經(jīng)濟(jì)、可擴(kuò)展性等方面具有優(yōu)勢(shì)。

圖4. 3D打印CASN-Li整體材料的水分釋放性能及綜合性能評(píng)價(jià)。  

5. 3D打印CASN-Li整體材料快速濕度調(diào)節(jié)的演示，搭建透明丙烯酸裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過COMSOL軟件模擬，研究CASN-Li整體材料在實(shí)際裝置中的除濕和再生效果。結(jié)果顯示，一塊CASN-Li能快速降低裝置內(nèi)相對(duì)濕度，增加吸附劑數(shù)量可加快除濕速度，除濕和再生過程能耗低，模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致性良好。

圖5. 3D打印CASN-Li整體材料快速濕度調(diào)節(jié)的演示。

研究結(jié)論
在全球范圍內(nèi)，室內(nèi)除濕對(duì)于保障人體健康、提升舒適度，以及應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。本研究通過3D打印技術(shù)制備出具有仿生多孔結(jié)構(gòu)的CASN-Li整體材料，用于快速濕度調(diào)節(jié)。直接墨水書寫3D打印與化學(xué)交聯(lián)相結(jié)合，使該整體材料具備毫米和微米尺度的多尺度孔隙，特別是3D打印形成的毫米級(jí)垂直定向通道，增加了與環(huán)境濕氣的接觸面積，有利于CASN-Li整體材料的吸濕和放濕。在60%相對(duì)濕度下，該3D打印整體材料的吸水速率比塊狀吸附劑高2.1倍，且20分鐘內(nèi)可釋放80%以上的吸水量。裝置級(jí)的演示實(shí)驗(yàn)表明，一塊CASN-Li整體材料能在25分鐘內(nèi)，將體積為自身6750倍空間內(nèi)的相對(duì)濕度從90%降至60%以下。這顯示出3D打印結(jié)合基于吸附的大氣集水技術(shù)，在高效濕度管理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

文章來源：
https://doi.org/10.1002/adfm.202508512