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,。

研究內(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,，測量不同LiCl濃度、不同相對濕度（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價(jià),，利用COMSOL軟件模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)測試，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)定性測試和材料特性對比。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,。

圖4. 3D打印CASN-Li整體材料的水分釋放性能及綜合性能評價(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)除濕對于保障人體健康,、提升舒適度，以及應(yīng)對氣候變化,、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